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北理工Small:高性能二维介孔硅纳米片负极【澳门新浦京】

2020-08-29 08:08:02

澳门新浦京:【章节】二维纳米材料由于其独有的物理化学性能,在基础研究及技术应用于方面引发了研究者很大的兴趣。近年来,各种二维材料,如石墨烯、过渡性金属氧化物、硫化物及碳/氮化物等,早已被普遍应用于光催化、电催化、能量澳门新浦京存储与转化成领域。

在锂离子电池方面,二维纳米结构的引进可以有效地的延长锂离子的蔓延路径、提升界面电荷转移速率及减小电极-电解液界面,可以明显提升材料的电化学性能,因而受到研究人员的普遍注目。在众多负极材料中,硅因其超高的理论比容量、较低的静电电压及锂离子蔓延势垒,沦为了最有发展前景的高容量锂电负极材料之一。

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然而,硅在充放电过程中不会引发极大的体积收缩,造成材料颗粒粉化和开裂,严重影响其电化学性能。此外与零维、一维硅纳米结构有所不同,二维硅材料生长的仅次于障碍源自其自身的晶体结构。

一般来说,典型的二维材料具备强劲的层内共价键及很弱的层间范德华力,这种明显的表面能差异造成其各向异性的二维生长。然而,由于硅是各向同性的立方互为晶体,要构建自发性层状生长极为艰难。

尽管目前各种方法被用来制备二维硅纳米片,如光刻与挤压、化学气相沉积及模板诱导制备,但这些方法一般来说工艺简单、成本高、前驱体不平稳、产率较低而且储锂性能劣。因此,使用低成本的方法构建出色电化学性能的二维硅纳米片的大规模制取是一个意义根本性且不存在极大挑战的难题。【成果概述】近日,北京理工大学曹传宝教授团队陈卓副教授指导博士生陈松在Small上公开发表了为题“ScalableTwo-dimensionalMesoporousSiliconNanosheetsforHigh-PerformanceLithiumIonBatteryAnode”的文章。

他们利用低成本的模板法及镁冷还原成过程,首次在硅材料上构建了二维硅纳米片的宏量制取。通过分子模板剂在二维硅纳米片上引进介孔,使其具备较高的比表面积。作为锂离子电池负极,与商业硅比起,循环性能有明显改善。

更进一步通过均匀分布的碳外壳,构建了出色的贮锂性能、循环稳定性及倍率性能。基于电阻序,蔓延动力学分析及SEI膜仔细观察,该性能的明显强化主要归咎于独有的二维介孔结构及碳外壳的协同作用:1)有效地的增进了锂离子的蔓延;2)提升界面电荷转移速率;3)减轻硅的体积收缩。【图文简介】图1纳米片制备示意图及电镜密切相关结果(a)纳米片制备示意图;(b)Si纳米片的SEM;(c)Si纳米片的TEM;(d-e)Si纳米片的HRTEM。

图2Si/C纳米片的透射电镜及纳曼光谱密切相关结果(a)Si/C纳米片的TEM;(b)Si/C纳米片的HRTEM;(c)Si/C纳米片的纳曼光谱图。图3硅基负极的电化学性能(a)Si纳米片前三个循环的CV曲线;(b)Si/C纳米片前三个循环的CV曲线;(c)Si纳米片的恒电流充放电曲线;(d)Si/C纳米片的恒电流充放电曲线;(e)400mAg-1下商业硅颗粒、显硅纳米片及Si/C纳米片的循环稳定性较为;(f)有所不同电流密度下商业硅颗粒、显硅纳米片及Si/C纳米片的倍率性能较为;(g)4Ag-1下Si/C纳米片的循环性能。

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【小结】该文章顺利报导了一种低成本宏量制取二维介孔硅纳米片的方法,同时为了更进一步减轻体积转变及提升动力学不道德,对其展开碳外壳处置,结构密切相关及出色的电化学性能证实了该方法的可行性。本研究不仅很大地提高了硅基负极的电化学性能,同时也为研发与设计独有的纳米材料用作各种能源器件获取了新思路。:澳门新浦京。

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