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Largely Improved Battery Performance Using a Microsized Silicon Skeleton Caged by Polypyrrole as Anode

阳极 材料科学 电池(电) 聚吡咯 纳米技术 复合材料 骨架(计算机编程) 化学工程 电极 光电子学 聚合物 计算机科学 工程类 化学 程序设计语言 功率(物理) 物理化学 物理 量子力学 聚合
作者
Yingying Lv,Mingwei Shang,Xi Chen,Parisa Shabani Nezhad,Junjie Niu
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:13 (10): 12032-12041 被引量:76
标识
DOI:10.1021/acsnano.9b06301
摘要

Various architectures with nanostructured silicon have demonstrated promising battery performance while posing a challenge in industrial production. The current ratio of silicon in graphite as anode is less than 5 wt %, which greatly limits the battery energy density. In this article, we report a scalable synthesis of a large silicon cage composite (micrometers) that is composed of a silicon skeleton and an ultrathin (<5 nm) mesoporous polypyrrole (PPy) skin via a facile wet-chemical method. The industry available, microsized AlSi alloy was used as precursor. The hollow skeleton configuration provides sufficient space to accommodate the drastic volume expansion/shrinkage upon charging/discharging, while the conductive polymer serves as a protective layer and fast channel for Li+/e- transport. The battery with the microsilicon (μ-Si) cage as anode displays an excellent capacity retention upon long cycling at high charge/discharge rates and high material loadings. At 0.2 C, a specific capacity of ∼1660 mAh/g with a Coulombic efficiency (CE) of ∼99.8% and 99.4% was achieved after 500 cycles at 3 mg/cm2 loading and 400 cycles at 4.4 mg/cm2 loading, respectively. At 1.0 C, a capacity as high as 1149 mAh/g was retained after 500 cycles with such high silicon loading. The areal capacity of as high as 6.4 mAh/cm2 with 4.4 mg/cm2 loading was obtained, which ensures a high battery energy density in powering large devices such as electric vehicles.
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