ACS Nano：应用于锂离子电池的碳包覆硅/硅化铁二次粒子的连续流合成

尚志者王 4年前 (2020-01-09) 5973浏览

【引言】

改善活性材料以及电极中的电子和离子传输是提高锂离子电池（LIB）电极的重要研究途径。本文研究了作为LIB的阳极材料的硅化铁材料，因为与纯Si颗粒相比，硅化铁具有更高的电导率和更低的体积膨胀率。另外，可以使用连续流涂工艺从铁硅化物的表面合成碳纳米管（CNT），其中先将前体喷雾干燥成微米级的次级颗粒，然后再流过化学气相沉积（CVD）反应器。一些碳纳米管在次级粒子内部形成，这对于短距离电传输非常重要。次级粒子上表面结合的CNT可能有助于建立长程电导率。与具有相同组成的非结构化材料相比，这些球形次级颗粒可提供更好的电极涂层质量，可循环性和倍率性能。所开发的电极在1A/g下重量保持1150 mAh/g的容量循环了300次，并以5 C的速率保持43％的电容量。此外，石墨混合电极的电极密度为539 mAh/g，体积密度高达〜1.6 g/cm3，面积容量〜3.5 mAh/cm2，同时具有稳定的循环性能。

【成果简介】

近日，剑桥大学的Changshin Jo和Michael De Volder教授（共同通讯）在ACS Nano上发表了一篇题为“Continuous-Flow Synthesis of Carbon-Coated Silicon/Iron Silicide Secondary Particles for Li-Ion Batteries”的文章。在这项工作中，使用喷雾干燥将我们的Si纳米颗粒包装成微米大小的球体。微米级纯Si二次粒子的电阻对于电池作而言太高了，但是这项工作表明CNT可以在二次粒子的缝隙内合成，从而提供了良好的内部短程电网络。另外，从次级颗粒表面延伸的CNT可以帮助提高颗粒间的远程导电性，这在工业转向更厚的电极涂层时尤其重要。

【图文导读】

图1连续流动装置进行SiFeCNT合成的过程示意图

使用喷雾干燥器和化学气相沉积法合成SiFeCNT。

连续流反应器合成SiFeCNT

图2SiFeCNT-[℃]-[min]的形貌

（a）SixFey纳米团簇和标记为SiFeCNT-[℃]-[min]（例如SiFeCNT-850-30）；

（b）SiFeCNT-850-2；

（c）SiFeCNT-850-10；

（d）SiFeCNT-630-30；

（e，f）使用连续流工艺合成的SiFeCNT样品（CNT合成持续时间约为6s）；SiFeCNT-700-20样品（样品被切成100 nm厚度）的（g-i）TEM图像。

图3SiFeCNT的各项表征

在各种（a）温度和（b）时间条件下合成的SiFeCNT样品的XRD图谱；

（c）Si，SiFeCNT-770-30和SiFeCNT-850-30的Si 2p XPS光谱；

（d）不同时间和温度下的碳重量；

（e）SiFeCNT-[℃] -30样品的TGA曲线的导数；

（f）Si NP，Si簇，SiFe簇和SiFeCNT-850-60样品的N2物理吸附等温线。

图4SiFeCNT的电化学性能

（a）以100 mA/g的电流密度获得的SiFeCNT-850-60和SiFe-簇+ CNT混合电极的恒电流充放电曲线；

（b）SiFeCNT，SiFe-簇+ CNT和Si-簇+ CNT混合物的循环稳定性和（c）速率性能。

（d）SiFeCNT和SiFe-cluster + CNT混合电极的内部电阻与准开路电压（QOCV）曲线和e）奈奎斯特曲线。

图5卷对卷（R2R）涂层和混合电极的电化学测试

（a）SiFeCNT+石墨电极的R2R涂层工艺示意图，以及（b）35 m长的R2R涂层电极的图片；

（c）SiFeCNT+石墨和Si NPs+石墨电极的SEM图像；

（d）SiFeCNT+石墨和（e）Si NPs+石墨电极的充放电曲线；

（f）混合电极在200 mA/g时的循环性能和库仑效率图。

【小结】

本文报告了一种可扩展的工艺来制造用于LIB阳极的SiFeCNT二次粒子，该粒子既可以单独使用也可以与石墨共混。通过将初级Si颗粒（直径约50 nm）喷雾干燥成球形次级颗粒（直径约3 μm）来制造这些颗粒，以提高其堆积密度并减少电极配方中所需的粘合剂量。接下来，使用CVD从SiC颗粒的表面直接生长CNT，我们发现在次级颗粒的内部和外部都形成了纳米管，从而实现了更好的电子传输。另外，CVD生长的CNT牢固地锚定在次级颗粒上，结果减轻了混合和涂覆期间的相分离，并且在循环期间保持了电网络。纯SiFeCNT电极在300次循环中在1A/g下显示出超过1150 mAh/g的比容量，并以5C的速率保留了其容量的43％以上。另外，研究人员制备了混合电极，其中SiFeCNT与石墨混合以获得的阳极材料比电容达550 mAh/g。

文献链接：Continuous-Flow Synthesis of Carbon-Coated Silicon/Iron Silicide Secondary Particles for Li-Ion Batteries（ACS Nano，2019， DOI: 10.1021/acsnano.9b07473）

本文由水手供稿。

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