Conversion Reaction of Nanoporous ZnO for Stable Electrochemical Cycling of Binderless Si Microparticle Composite Anode

纳米孔 材料科学 法拉第效率 阳极 化学工程 电极 复合数 电化学 微粒 电解质 纳米技术 复合材料 化学 工程类 物理化学
作者
Donghyuk Kim,Minkyu Park,Sang‐Min Kim,Hyung Cheoul Shim,Seungmin Hyun,Seung Min Han
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:12 (11): 10903-10913 被引量:39
标识
DOI:10.1021/acsnano.8b03951
摘要

Binderless, additiveless Si electrode design is developed where a nanoporous ZnO matrix is coated on a Si microparticle electrode to accommodate extreme Si volume expansion and facilitate stable electrochemical cycling. The conversion reaction of nanoporous ZnO forms an ionically and electrically conductive matrix of metallic Zn embedded in Li2O that surrounds the Si microparticles. Upon lithiation, the porous Li2O/Zn matrix expands with Si, preventing extensive pulverization, while Zn serves as active material to form Li xZn to further enhance capacity. Electrodes with a Si mass loading of 1.5 mg/cm2 were fabricated, and a high initial capacity of ∼3900 mAh/g was achieved with an excellent reversible capacity of ∼1500 mAh/g (areal capacity ∼1.7 mAh/cm2) beyond 200 cycles. A high first-cycle Coulombic efficiency was obtained owing to the conversion reaction of nanoporous ZnO, which is a notable feature in comparison to conventional Si anodes. Ex situ analyses confirmed that the nanoporous ZnO coating maintained the coalescence of SiMPs throughout extended cycling. Therefore, the Li2O/Zn matrix derived from conversion-reacted nanoporous ZnO acted as an effective buffer to lithiation-induced stresses from volume expansion and served as a binder-like matrix that contributed to the overall electrode capacity and stability.
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