Mesoporous silicon sponge as an anti-pulverization structure for high-performance lithium-ion battery anodes

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作者
Xiaolin Li,Meng Gu,Shenyang Hu,Rhys M. Kennard,Pengfei Yan,Xilin Chen,Chongmin Wang,Michael J. Sailor,Ji‐Guang Zhang,Jun Liu
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:5 (1) 被引量:1280
标识
DOI:10.1038/ncomms5105
摘要

Nanostructured silicon is a promising anode material for high-performance lithium-ion batteries, yet scalable synthesis of such materials, and retaining good cycling stability in high loading electrode remain significant challenges. Here we combine in-situ transmission electron microscopy and continuum media mechanical calculations to demonstrate that large (>20 μm) mesoporous silicon sponge prepared by the anodization method can limit the particle volume expansion at full lithiation to ~30% and prevent pulverization in bulk silicon particles. The mesoporous silicon sponge can deliver a capacity of up to ~750 mAh g−1 based on the total electrode weight with >80% capacity retention over 1,000 cycles. The first cycle irreversible capacity loss of pre-lithiated electrode is <5%. Bulk electrodes with an area-specific-capacity of ~1.5 mAh cm−2 and ~92% capacity retention over 300 cycles are also demonstrated. The insight obtained from this work also provides guidance for the design of other materials that may experience large volume variation during operations. Silicon is a promising anode material for lithium ion batteries, but suffers from poor cyclability especially at high mass loading. Here, Li et al. synthesize mesoporous silicon sponge-like structures, which show promising performance at the deep lithiation and high loading conditions required for practical applications.
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