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Encapsulating a Responsive Hydrogel Core for Void Space Modulation in High-Stability Graphene-Wrapped Silicon Anodes

材料科学 石墨烯 阳极 芯(光纤) 电极 复合材料 纳米技术 调制(音乐) 空隙(复合材料) 光电子学 美学 哲学 物理化学 化学
作者
Zimin She,Marianna Uceda,Michael A. Pope
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:14 (8): 10363-10372 被引量:15
标识
DOI:10.1021/acsami.1c23356
摘要

Due to its formidably high theoretical capacity (3590 mAh/g at room temperature), silicon (Si) is expected to replace graphite as the dominant anode for higher energy density lithium (Li)-ion batteries. However, stability issues stemming from silicon's significant volume expansion (∼300%) upon lithiation have slowed down commercialization. Herein, we report the design of a scalable process to engineer core-shell structures capable of buffering this volume expansion, which utilize a core made up of a poly(ethylene oxide)-carboxymethyl cellulose hydrogel and silicon protected by a crumpled graphene shell. The volume expansion of the hydrogel upon exposure to water creates a void space between the Si-Si and Si-rGO interfaces within the core when the gel dries. Unlike sacrificial spacers, the dehydrated hydrogel remains in the core and acts as an elastic Li-ion conductor, which improves the stability and high rate performance. The optimized composite electrodes retain ∼81.7% of their initial capacity (1055 mAh/(grGO+gel+Si)) after 320 cycles when an active material loading of 1 mg/cm2 is used. At more practical mass loadings (2.5 mg/cm2), the electrodes achieve 2.04 mAh/cm2 and retain 79% of this capacity after 200 cycles against a lithium half-cell. Full cells assembled using a lithium ion phosphate cathode lose only 6.7% of their initial capacity over 100 cycles, demonstrating the potential of this nanocomposite anode for use in next-generation Li-ion batteries.

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