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Hierarchical Carbon-Coated Ball-Milled Silicon: Synthesis and Applications in Free-Standing Electrodes and High-Voltage Full Lithium-Ion Batteries

材料科学 阳极 阴极 电极 碳纤维 锂(药物) 碳纳米纤维 纳米技术 涂层 储能 化学工程 光电子学 复合材料 碳纳米管 电气工程 化学 复合数 内分泌学 工程类 物理化学 功率(物理) 物理 医学 量子力学
作者
Chenfei Shen,Xin Fang,Mingyuan Ge,Anyi Zhang,Yihang Liu,Yuqiang Ma,Matthew Mecklenburg,Xiao Nie,Chongwu Zhou
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:12 (6): 6280-6291 被引量:106
标识
DOI:10.1021/acsnano.8b03312
摘要

Lithium-ion batteries have been regarded as one of the most promising energy storage devices, and development of low-cost batteries with high energy density is highly desired so that the cost per watt-hour ($/Wh) can be minimized. In this work, we report using ball-milled low-cost silicon (Si) as the starting material and subsequent carbon coating to produce low-cost hierarchical carbon-coated (HCC) Si. The obtained particles prepared from different Si sources all show excellent cycling performance of over 1000 mAh/g after 1000 cycles. Interestingly, we observed in situ formation of porous Si, and it is well confined in the carbon shell based on postcycling characterization of the hierarchical carbon-coated metallurgical Si (HCC-M-Si) particles. In addition, lightweight and free-standing electrodes consisting of the HCC-M-Si particles and carbon nanofibers were fabricated, which achieved 1015 mAh/g after 100 cycles based on the total mass of the electrodes. Compared with conventional electrodes, the lightweight and free-standing electrodes significantly improve the energy density by 745%. Furthermore, LiCoO2 and LiNi0.5Mn1.5O4 cathodes were used to pair up with the HCC-M-Si anode to fabricate full cells. With LiNi0.5Mn1.5O4 as cathode, an energy density up to 547 Wh/kg was achieved by the high-voltage full cell. After 100 cycles, the full cell with a LiNi0.5Mn1.5O4 cathode delivers 46% more energy density than that of the full cell with a LiCoO2 cathode. The systematic investigation on low-cost Si anodes together with their applications in lightweight free-standing electrodes and high-voltage full cells will shed light on the development of high-energy Si-based lithium-ion batteries for real applications.
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