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Facile synthesis of nano-si/graphite-carbon anode through microwave-induced carbothermal shock for lithium-ion batteries

材料科学 阳极 碳热反应 石墨 锂(药物) 碳纤维 电解质 阴极 热冲击 化学工程 无定形碳 纳米技术 无定形固体 电极 复合材料 化学 复合数 结晶学 物理化学 内分泌学 工程类 医学 碳化物
作者
Chang-Hyun Cho,Won Ung Jeong,Chang-Ha Lim,Jae-Kook Yoon,Chris Yeajoon Bon,Kap‐Seung Yang,Min‐Sik Park
出处
期刊:Carbon [Elsevier BV]
卷期号:229: 119542-119542 被引量:5
标识
DOI:10.1016/j.carbon.2024.119542
摘要

We present a cost-effective synthesis process for producing a carbon-coated nano-Si@Graphite (n-Si@G-C) anode, in which nano-sized Si (n-Si) particles (∼50 nm in size) are anchored onto natural graphite particles by a carbothermal shock through microwave induction. During the carbothermal shock process, graphite undergoes a fast increase in temperature resulting in micron-sized Si (m-Si) particles (∼4 μm in size) to undergo stress fractures due to rapid thermal expansion. This process leads to the formation of abundant n-Si particles onto graphite particles. Subsequently, a thin carbon shell is introduced by a wet-coating process combined with a thermal decomposition of coal-tar pitch. The amorphous carbon shell offers multiple functionalities: i) preventing direct exposure of n-Si particles to the electrolyte, ii) accommodating their volume expansion, and iii) maintaining electron conduction pathways. The resulting n-Si@G-C anode allows a high reversible capacity (500.8 mAh g−1) as well as fast-charging characteristics. When utilized in a full-cell configured with a commercial-grade LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 cathode, it achieves a notable reduction in charging time (approximately 10.1 min@80 % state of charge). After 300 cycles, a high capacity retention (71.3 %) can be retained under 3C charging. Moreover, the distinctive structural features of the n-Si@G-C anode effectively suppress undesirable Li plating.
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