卵壳结构硅/碳（YS-Si/C）负极材料具有高比容量和出色的循环寿命，因此有望用于商用锂离子电池（LIB）。然而，尽管经过近十年的研究，其商业化仍未实现，主要原因是机械强度差、速率能力有限以及能量密度低。这项研究报告了一种分层YS-Si/C阳极材料，它是通过热化学气相沉积生长垂直石墨烯片（VGS）、聚合物自组装和一步碳化合成的，通过VGS在硅芯和碳壳之间建立连接，从而增强了YS-Si/C材料的电化学和机械特性。这种独特的材料优于不含VGSs的复合材料，在0.1 C时具有1683.2 mAh g-1 的高比容量，在10 C时具有552.2 mAh g-1 的优异速率性能，1000 次循环后的容量保持率高达80.1%。当与LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2阴极匹配时，该安培小时级袋式电池的重力和体积能量密度分别高达429.2 Wh kg-1 和1083 Wh L-1。有限元分析表明，VGS可减少碳壳上的应力集中，有助于空心材料承受工业电极压延。这项工作证明了YS-Si/C阳极材料在实际LIB中的商业应用潜力。
图文简介
VGSs支撑的YS-Si/C复合负极材料的制备策略，以及每一步产物的SEM表征
a) VGSs-YS-Si/C颗粒的截面SEM图像。b ) Si@VGSs和c ) VGSs-YS-Si/C的TEM照片；d ) VGSs-YS-Si/C的SAED照片；e )原始Si、Si@VGSs和VGSs-YS-Si/C的XRD图谱和Raman图谱；g ) FTIR图谱；h ) N2吸附-脱附等温线和i ) VGSs-YS-Si/C合成过程中各步骤中间体的孔径分布曲线；j )原始Si和VGSs-YS-Si/C在空气中的TG分析曲线。
a )扫描速率为0.1 mV s-1时，VGSs-YS-Si/C负极s在0.005 ~ 2 V之间的CV曲线。b ) VGSs-YS-Si/C、C-YS-Si/C和YS-Si/C负极在0.1 C下的恒流充放电曲线。c )不同负载量的VGSs-YS-Si/C负极在0.5 C下的面容量。d ) VGSs-YS-Si/C、C-YS-Si/C和YS-Si/C负极s在1 C下的循环性能。e ) VGSs-YS-Si/C、C-YS-Si/C和YS-Si/C负极在3 C下的循环性能。g ) VGSs-YS-Si/C与已报道的蛋黄壳Si/C负极材料的锂离子电池性能对比。
a )三个样品在第一周期的GITT曲线和相应的DLi+。b ) VGSs-YS-Si/C样品经受200 MPa压力后的颗粒形貌。c ) VGSs-YS-Si/C、C-YS-Si/C和YS-Si / C样品经受200 MPa压力后在1 C下的循环性能。d ) YS-Si/C和e ) VGSs-YS-Si/C颗粒在压力作用下应力演化的有限元分析。f )有限元分析中两种样品碳壳上的应力数据。
a ) VGSs-YS-Si/C//NCM811全电池供电的LED阵列和无人机的照片。b ) VGSs-YS-Si/C//NCM811全电池在1 C下的电压曲线。c ) VGSs-YS-Si/C//NCM811和YS-Si/C//NCM811的倍率性能和长期循环性能。e ) VGSs-YS-Si/C和最近报道的Si/C负极材料的重量和体积能量密度比较。
论文信息
Hierarchical Yolk-Shell Silicon/Carbon Anode Materials Enhanced by Vertical Graphene Sheets for Commercial Lithium-Ion Battery Applications
原文链接： https://doi.org/10.1002/adfm.202413081
通讯作者：Qi Xiong, Jie Yu, Chunyi Zhi
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