Small:由中空硅氧化物和三维粘结剂组成的具有优异循环性能的锂离子电池复合电极

与Si相比,SiOx(0<x<2)在嵌锂/脱锂过程中仍然存在体积波动大等问题。空心结构设计是一种有效的方法。然而,大多数空心结构的制备方法复杂,并且使用SiO2作为模板,需要有毒且高腐蚀性的HF蚀刻,导致合成过程不友好。另一方面,粘结剂是电极的重要组成部分,常用的PVDF等线性粘结剂不适用于大体积膨胀的负极材料,因此需要开发新型的粘结剂。对于结构和粘结剂,单方面的改进策略并不能获得理想的性能。

北京科技大学李平教授团队和曲选辉教授团队与北京航空航天大学王伟教授针对这一问题进行了细致的研究:首先设计了一种中空纳米立方形的硅氧化物负极材料,然后通过原位合成方法合成了一种三维交联粘结剂,制备的复合电极具有优异的循环稳定性。该工作中采用的结构与粘结剂协同设计策略,可以作为一种研究的普适方法,有效的提高材料的综合性能。相关结果发表在Small(DOI: 10.1002/smll.201905736)上,论文第一作者为何冬林博士。

为了确保材料结构/电极的完整性并适应大体积膨胀,该团队通过采用中空纳米立方结构、原位交联粘结剂(c-PAA-DS)和无定形Void@SiOx@C的三管齐下的协同设计策略来构建多功能电极。具体而言,Void@SiOx@C材料是通过相对容易和绿色的经济方法制备的,使用廉价的碳酸钙(CaCO3)作为模板来制备空心SiOx,而不需要使用剧毒的HF蚀刻。同时,无定形的Void@SiOx@C在循环期间表现出更强的应变弛豫能力。此外,具有内部空隙和外部碳壳保护的中空结构可以有效地防止SiOx的粉碎,更好的适应锂化/脱锂过程中SiOx的体积变化。这种多孔结构也为离子传输提供了大量的通道,并缩短了传输路径。另外,根据密度泛函理论(DFT)计算,原位交联的c-PAA-DS粘结剂与Void@SiOx@C之间具有高的粘结力,可以增强循环稳定性。因此,通过带壳中空的纳米立方结构、无定形的Void@SiOx@C和交联的c-PAA-DS粘结剂三管齐下的协同效应进一步增强了电极的完整性和稳定性。所制备的电极在500 mA g-1电流密度下经过500次循环后表现出696 mAh g-1的可逆容量且没有明显的容量衰减。