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用戶前沿成果分享

文章：Controllable Interface Engineering for the Preparation of High Rate Silicon Anode

本文作者提出利用光伏硅廢料的二維結(jié)構(gòu)特性，借助Forge Nano PROMETHEUS 流化床原子層沉積系統(tǒng)在硅廢料表面連續(xù)、可控地沉積非晶 Li2O 和 TiO2 包覆層，以制備高倍率（20 A·g-1電流下放電比容量大于900 mAh·g-1）和高首效（90.9%）硅基負極材料，為光伏硅廢料的增值利用提供了新思路。相關(guān)論文發(fā)表在 Advanced Functional Materials 上。昆明理工大學(xué)冶金與能源工程學(xué)院博士研究生王雷和陸繼軍博士為論文共同一作者，李紹元教授、馬文會教授為論文共同通訊作者。

02文獻解讀

背景介紹

隨著車輛續(xù)航里程需求的不斷增長，對高能量密度 LIBs 的需求也變得越來越迫切。與石墨相比，硅（Si）以其高理論比容量（4200 mAh/g）被視為提高商業(yè)化 LIBs 能量密度的優(yōu)選負極材料。然而，制備具有高初始庫侖效率（ICE）和高倍率性能的硅基負極仍然面臨著重大挑戰(zhàn)。近年來人們開始關(guān)注光伏硅廢料（PV-WSi）在制備硅基負極方面的應(yīng)用。充分利用 PV-WSi 的二維結(jié)構(gòu)特性，制備高倍率和高 ICE 硅基負極是一項具有挑戰(zhàn)性但有意義的任務(wù)。

文章亮點

本文研究人員充分利用光伏硅廢料（PV-WSi）的二維結(jié)構(gòu)，并借助Forge Nano PROMETHEUS 流化床原子層沉積技術(shù)，同時實現(xiàn)了高 ICE 和高倍率性能的硅基負極。

Li+ 嵌入垂直于 PV-WSi 二維片狀結(jié)構(gòu)平面方向的特性有助于縮短擴散距離，緩解因 Si 的體積膨脹引起的粉碎問題。利用 Forge Nano 原子層沉積系統(tǒng)可控地沉積 Li2O（約 1 納米）和 TiO2（約 4 納米）涂層，以補充鋰源的損失，進一步抑制硅的體積膨脹，并阻止硅與電解液之間的副反應(yīng)。所制備的 Si@Li2O@TiO2 展示了超高的ICE（90.9%）和出色的倍率性能（在 20 A/g的速率下>900 mAh/g）。采用Si@Li2O@TiO2 負極和 LiFePO4 正極的全電池，在 0.5C 的速率下進行 300 個循環(huán)后，穩(wěn)定容量為 100 mAh/g-1。這項工作為基于低成本光伏廢料的高 ICE、高倍率硅基負極的發(fā)展提供了新思路。

Si@Li2O@TiO2 的合成示意圖

a,b) ALD 包覆 Li2O 涂層后的 Si@Li2O的 TEM 圖像 ；c,d) ALD 包覆 TiO2 涂層后的 Si@TiO2 的TEM 圖像；e,f) ALD 包覆 Li2O、TiO2涂層后的 Si@Li2O@TiO2 的 TEM 圖像；g-j) ALD 包覆 Li2O、TiO2涂層后的 Si@Li2O@TiO2 的 EDS 元素組成圖。

a) PV-WSi、P-Si、Si@Li2O、Si@TiO2 和 Si@Li2O@TiO2 的電壓-容量曲線以及 b) 它們的初始庫侖效率(ICE)；c) 本研究中 Si@Li2O@TiO2 電極的 ICE 與之前報道的基于硅的負極材料的 ICE 進行比較；d) PV-WSi、P-Si、Si@Li2O、Si@TiO2 和 Si@Li2O@TiO2 的循環(huán)性能以及 e) 前面十個循環(huán)的庫侖效率，f) 不同電流下的倍率性能，以及 g) PV-WSi、P-Si、Si@Li2O、Si@TiO2 和 Si@Li2O@TiO2 的容量保持率；h) PV-WSi、P-Si 和 Si@Li2O@TiO2 的長期循環(huán)性能。

a) PV-WSi、P-Si、Si@Li2O@TiO2 電極在 2 A g-1 下循環(huán) 100 次后的 Li 1s、F 1s、C 1s、Si 2p XPS 光譜；b) PV-WSi、d) P-Si、f) Si@TiO2 h) Si@Li2O@TiO2 電極在循環(huán)前的 SEM 圖像；c) PV-WSi、e) P-Si、g) Si@TiO2 i) Si@Li2O@TiO2 電極在 2 A g-1 下循環(huán) 100 次后的 SEM 圖像。

結(jié)論

作者專注于 PV-WSi 的二維結(jié)構(gòu)特性，借助 Forge Nano 流化床原子層沉積技術(shù)合成了具有高倍率和高初始庫侖效率（ICE）的硅基負極。

計算結(jié)果表明，PV-WSi 具有快速的鋰化/去鋰化能力和在循環(huán)過程中更均勻的應(yīng)力分布。通過連續(xù)的流化床原子層沉積技術(shù)構(gòu)建了厚度約為 1 納米的 Li2O 層和 4 納米的 TiO2 層。作為鋰離子電池負極，Si@Li2O@TiO2 展現(xiàn)出了超高的 ICE（90.9%）和良好的倍率性能（在20 A/g-1的速率下>900 mAh/g-1）。與 LiFePO4 正極組裝的全電池也顯示出穩(wěn)定的循環(huán)穩(wěn)定性（在0.5C的速率下 300 個循環(huán)后約為100 mAh/g）。

作者的研究為發(fā)展高倍率性能、高 ICE 的硅基負極提供了一種策略，為光伏產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展做出了貢獻。