Small Structures: 超薄纳米Si层包覆NixSi/Ni纳米颗粒作为长循环锂离子电池负极材料

Si负极具有超高的理论容量(4200 mAh/g)而被视为最有前景的下一代锂离子电池负极材料之一。但是,锂化过程中Si负极面临巨大的体积膨胀(大于400%)。巨大的体积效应导致电极在循环过程中不能形成连续稳定的固体电解质膜(SEI),同时电解液不断被消耗,活性物质容易从集流体上脱落,电池内阻增加,最终导致电池容量的严重衰减。

复旦大学化学系夏永姚课题组针对Si负极材料目前存在的问题和挑战,在纳米尺度上通过材料的结构设计,合成出具有多层核壳结构Si-Ni基复合材料(Si@NixSi/Ni),该复合材料由内层单质Ni纳米颗粒和中间层NixSi合金以及外层超薄单质Si组成。这种独特的多层核壳结构可以有效提升Si基负极材料的循环稳定性。相关结果发表在Small Structures (DOI: 10.1002/sstr.202000126) 。

纳米化是提升Si负极材料电化学性能的一个重要研究方向,但是纯纳米Si的制备成本高,此外Si的电子电导不佳限制了其电化学性能。合金Si,又称硅基金属间化合物,例如Mg2Si, FeSi2,TiSi2,NiSi2,一方面金属可以作为Si体积膨胀的缓冲区抑制其体积效应,同时又能提升电极材料的电子电导,近年来受到人们的广泛关注。将纳米硅和合金Si复合,既能抑制体积膨胀,又能显著提升电极材料的电子电导。该研究团队通过机械活化固相烧结法合成出具有多层核壳结构Si-Ni基复合材料(Si@NixSi/Ni),该复合材料由内层单质Ni纳米颗粒和中间层NixSi合金以及外层超薄单质Si组成。Si@NixSi/Ni复合材料在充放电过程中,外层纳米硅贡献非常高的容量,同时又能保证锂离子的快速脱嵌。而梯度分布的NixSi层可以实现出色的循环稳定性,并进一步增加容量。最内层的Ni纳米颗粒提供机械支撑以保持在循环过程中复合材料形貌和结构完整性。这种独特的多层核壳结构保证该负极材料能够循环5000次。该研究结果为解决Si基负极材料的问题提供一种新的策略。