Shell-Protective Secondary Silicon Nanostructures as Pressure-Resistant High-Volumetric-Capacity Anodes for Lithium-Ion Batteries

材料科学 锂(药物) 阳极 离子 纳米结构 纳米技术 化学工程 电极 光电子学 化学 医学 工程类 内分泌学 物理化学 有机化学
作者
Jiangyan Wang,Lei Liao,Yuzhang Li,Jie Zhao,Feifei Shi,Kai Yan,Allen Pei,Guangxu Chen,Guodong Li,Zhiyi Lu,Yi Cui
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:18 (11): 7060-7065 被引量:138
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.8b03065
摘要

The nanostructure design of a prereserved hollow space to accommodate 300% volume change of silicon anodes has created exciting promises for high-energy batteries. However, challenges with weak mechanical stability during the calendering process of electrode fabrication and poor volumetric energy density remain to be solved. Here we fabricated a pressure-resistant silicon structure by designing a dense silicon shell coating on secondary micrometer particles, each consisting of many silicon nanoparticles. The silicon skin layer significantly improves mechanical stability, while the inner porous structure efficiently accommodates the volume expansion. Such a structure can resist a high pressure of over 100 MPa and is well-maintained after the calendering process, demonstrating a high volumetric capacity of 2041 mAh cm–3. In addition, the dense silicon shell decreases the surface area and thus increases the initial Coulombic efficiency. With further encapsulation with a graphene cage, which allows the silicon core to expand within the cage while retaining electrical contact, the silicon hollow structure exhibits a high initial Coulombic efficiency and fast rise of later Coulombic efficiencies to >99.5% and superior stability in a full-cell battery.
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