Si@Si3N4@C composite with egg-like structure as high-performance anode material for lithium ion batteries

材料科学 阳极 法拉第效率 复合数 扩散 离子 锂(药物) 体积热力学 合金 碳纤维 化学工程 复合材料 电极 热力学 物理化学 有机化学 化学 内分泌学 工程类 医学 物理
作者
Zhexi Xiao,Chao Lei,Chunhui Yu,Xiao Chen,Zhenxing Zhu,Hairong Jiang,Fei Wei
出处
期刊:Energy Storage Materials [Elsevier]
卷期号:24: 565-573 被引量:162
标识
DOI:10.1016/j.ensm.2019.06.031
摘要

Si-based anode materials in lithium-ion batteries (LIB) suffer huge volume changes during the charge–discharge cycling. Employing buffer materials to restrain the volume effect is important for these alloy-mechanism materials. In this work, we present a composite with an egg-like structure (denoted as [email protected]3N4@C) prepared by a two-step gas–solid reaction. The nanosized Si core exhibits high capacity. The highly strong and tough Si3N4 intermediate layer acts as a structural buffer, and the Li+ conductive layer accommodates volume variations and facilitates ion transport. The highly graphitized carbon shell enhances the integral conductivity. Consequently, the proposed composite can deliver a high first discharge capacity of 3093.8 mAh g−1 with an initial coulombic efficiency (ICE) of 91.51%. More than 80% capacity retention (vs. 2nd discharge) is observed after 200 cycles; when discharged at 10 A g−1, a capacity of 881 mAh g−1 is still displayed. The influence of the Si3N4 intermediate layer on Li+ diffusion is studied first, and the overall lithium-ion solid diffusion coefficient (DLi+) of the egg-like structure composite is found to be 8.111 × 10−11 cm2 s−1, which is approximately 300 times higher than that of Si, indicating a significant increase in Li+ diffusion. The probable reason is discussed and presented.
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