Homogenizing Silicon Domains in SiOx Anode during Cycling and Enhancing Battery Performance via Magnesium Doping

材料科学 法拉第效率 阳极 兴奋剂 化学工程 硅酸盐 纳米技术 冶金 光电子学 电极 工程类 物理化学 化学
作者
Jeongwoo Han,Sugeun Jo,Ikcheon Na,Seungmin Oh,Young-Min Jeon,Jeong-gyu Park,Bonho Koo,Hyejeong Hyun,Sungjae Seo,Danwon Lee,Hwiho Kim,Juwon Kim,Jong-Chan Lim,Jongwoo Lim
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:13 (44): 52202-52214 被引量:31
标识
DOI:10.1021/acsami.1c14121
摘要

SiOx (x ≈ 1) is one of the most promising anode materials for application in secondary lithium-ion batteries because of its high theoretical capacity. Despite this merit, SiOx has a poor initial Coulombic efficiency, which impedes its widespread use. To overcome this limitation, in this work, we successfully demonstrate a novel synthesis of Mg-doped SiOx via a mass-producible physical vapor deposition method. The solid-state reaction between Mg and SiOx produces Si and electrochemically inert magnesium silicate, thus increasing the initial Coulombic efficiency. The Mg doping concentration determines the phase of the magnesium silicate domains, the size of the Si domains, and the heterogeneity of these two domains. Detailed electron microscopy and synchrotron-based analysis revealed that the nanoscale homogeneity of magnesium silicates driven by cycling significantly affected the lifetime. We found that 8 wt % Mg is the most optimized concentration for enhanced cyclability because MgSiO3, which is the dominant magnesium silicate composition, can be homogeneously mixed with silicon clusters, preventing their aggregation during cycling and suppressing void formation.
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