成果简介
蛋黄壳结构硅/碳 （YS-Si/C） 负极材料因其高比容量和出色的循环寿命而有望用于商用锂离子电池 （LIB）。然而，尽管进行了近十年的研究，但它们的商业化尚未实现，主要是由于机械强度差、速率能力有限和能量密度低。本文，深圳超级电容器材料工程实验室-哈尔滨工业大学(深圳)Jie Yu、香港城市大学Qi Xiong、Chunyi Zhi等研究人员在《ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS》期刊发表名为“Hierarchical Yolk-Shell Silicon/Carbon Anode Materials Enhanced by Vertical Graphene Sheets for Commercial Lithium-Ion Battery Applications”的论文，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 0.1C具有 1683.2 mAh g-1 的高比容量，在10C时具有552.2mAh 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ampere-hour-level袋式电池的重力和体积能量密度分别高达 429.2Wh kg-1和1083Wh 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。
图文导读
图1、具有 VGS 支持架构的 YS-Si/C 负极材料的制备策略，以及每个步骤中产品的 SEM 表征。
图2、a） VGSs-YS-Si/C 颗粒的横截面 SEM 图像。b） Si@VGSs 和 c） VGSs-YS-Si/C. d） VGSs-YS-Si/C 的 SAED 图像 e） XRD 图谱和 f） 原始 Si、Si@VGSs 和 VGSs-YS-Si/C 的拉曼光谱 g） FTIR 光谱，h） N2 吸附-脱附等温线和 i） VGSs-YS-Si/C 合成过程每个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。
图3、a） VGSs-YS-Si/C 阳极在 0.005 和 2 V 之间的 CV 曲线，扫描速率为 0.1 mV s−1.b） VGSs-YS-Si/C、C-YS-Si/C 和 YS-Si/C 阳极在 0.1 C 下的恒电流充放电曲线 c） 在 0.5 C 下具有不同质量载荷的 VGSs-YS-Si/C 阳极的面容量 d） VGSs-YS-Si/C、C-YS-Si/C 和 YS-Si/C 阳极在 3 C 下的循环性能。g） VGSs-YS-Si/C 与已报道的用于 LIB 的蛋黄壳 Si/C 负极材料的性能比较。
图4、a) 三个样品在第一个循环期间的 GITT 曲线和相应的 DLi+。b) VGSs-YS-Si/C 样品在承受 200MPa压力后的颗粒形态。c) VGSs-YS-Si/C、C-YS-Si/C 和 YS-Si/C 样品在承受 200MPa压力后在 1 C 下的循环性能。d) YS-Si/C 和 e) VGSs-YS-Si/C 在压力下颗粒应力演变的有限元分析。f) 有限元分析中两个样品碳壳的应力数据。
图5、a) 由 VGSs-YS-Si/C//NCM811 全电池供电的 LED 阵列和无人飞行器的照片。b) VGSs-YS-Si/C//NCM811 全电池在 1 C 时的电压曲线。
小结
总之，通过一种简单而环保的工艺，实现了一种用于锂离子电池的分层卵壳结构负极材料–VGSs-YS-Si/C，它由硅核、碳壳和中间 VGSs 支撑物组成。桥接硅核和碳壳的 VGS 不仅为锂离子传输提供了通道，还缓解了碳壳上的应力集中，显著提高了复合材料的电化学和机械性能。在半电池中，与不含 VGSs 的复合材料相比，VGSs-YS-Si/C 表现出更优越的性能，0.1 C 时的比容量高达 1683.2 mAh g-1，10 C 时的速率性能高达 552.2 mAh g-1，初始 CE 高达 88.3%，1 C 循环 1000 次后的容量保持率高达 80.1%。由于 VGS 的存在，构建的安培小时级（1.23 Ah）VGSs-YS-Si/C/NCM811 全电池实现了更高的重力能量密度（429.2 Wh kg-1）和体积能量密度（1083 Wh L-1），在 1 C 下循环 500 次后容量保持率为 89.5%，平均 CE 为 99.95%。所提出的方法既高效又通用，可用于制造具有高机械性能、优异速率性能和高能量密度的优质 YS-Si/C 阳极，在LIB中得到实际应用。
文献：https://doi.org/10.1002/adfm.202413081
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