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用戶前沿成果分享

文章：Controllable Interface Engineering for the Preparation of High Rate Silicon Anode

本文作者提出利用光伏硅廢料的二維結構特性，借助Forge Nano PROMETHEUS 流化床原子層沉積系統在硅廢料表面連續、可控地沉積非晶 Li2O 和 TiO2 包覆層，以制備高倍率（20 A·g-1電流下放電比容量大于900 mAh·g-1）和高首效（90.9%）硅基負極材料，為光伏硅廢料的增值利用提供了新思路。相關論文發表在 Advanced Functional Materials 上。昆明理工大學冶金與能源工程學院博士研究生王雷和陸繼軍博士為論文共同一作者，李紹元教授、馬文會教授為論文共同通訊作者。

02文獻解讀

背景介紹

隨著車輛續航里程需求的不斷增長，對高能量密度 LIBs 的需求也變得越來越迫切。與石墨相比，硅（Si）以其高理論比容量（4200 mAh/g）被視為提高商業化 LIBs 能量密度的優選負極材料。然而，制備具有高初始庫侖效率（ICE）和高倍率性能的硅基負極仍然面臨著重大挑戰。近年來人們開始關注光伏硅廢料（PV-WSi）在制備硅基負極方面的應用。充分利用 PV-WSi 的二維結構特性，制備高倍率和高 ICE 硅基負極是一項具有挑戰性但有意義的任務。

文章亮點

本文研究人員充分利用光伏硅廢料（PV-WSi）的二維結構，并借助Forge Nano PROMETHEUS 流化床原子層沉積技術，同時實現了高 ICE 和高倍率性能的硅基負極。

Li+ 嵌入垂直于 PV-WSi 二維片狀結構平面方向的特性有助于縮短擴散距離，緩解因 Si 的體積膨脹引起的粉碎問題。利用 Forge Nano 原子層沉積系統可控地沉積 Li2O（約 1 納米）和 TiO2（約 4 納米）涂層，以補充鋰源的損失，進一步抑制硅的體積膨脹，并阻止硅與電解液之間的副反應。所制備的 Si@Li2O@TiO2 展示了超高的ICE（90.9%）和出色的倍率性能（在 20 A/g的速率下>900 mAh/g）。采用Si@Li2O@TiO2 負極和 LiFePO4 正極的全電池，在 0.5C 的速率下進行 300 個循環后，穩定容量為 100 mAh/g-1。這項工作為基于低成本光伏廢料的高 ICE、高倍率硅基負極的發展提供了新思路。

Si@Li2O@TiO2 的合成示意圖

a,b) ALD 包覆 Li2O 涂層后的 Si@Li2O的 TEM 圖像 ；c,d) ALD 包覆 TiO2 涂層后的 Si@TiO2 的TEM 圖像；e,f) ALD 包覆 Li2O、TiO2涂層后的 Si@Li2O@TiO2 的 TEM 圖像；g-j) ALD 包覆 Li2O、TiO2涂層后的 Si@Li2O@TiO2 的 EDS 元素組成圖。

a) PV-WSi、P-Si、Si@Li2O、Si@TiO2 和 Si@Li2O@TiO2 的電壓-容量曲線以及 b) 它們的初始庫侖效率(ICE)；c) 本研究中 Si@Li2O@TiO2 電極的 ICE 與之前報道的基于硅的負極材料的 ICE 進行比較；d) PV-WSi、P-Si、Si@Li2O、Si@TiO2 和 Si@Li2O@TiO2 的循環性能以及 e) 前面十個循環的庫侖效率，f) 不同電流下的倍率性能，以及 g) PV-WSi、P-Si、Si@Li2O、Si@TiO2 和 Si@Li2O@TiO2 的容量保持率；h) PV-WSi、P-Si 和 Si@Li2O@TiO2 的長期循環性能。

a) PV-WSi、P-Si、Si@Li2O@TiO2 電極在 2 A g-1 下循環 100 次后的 Li 1s、F 1s、C 1s、Si 2p XPS 光譜；b) PV-WSi、d) P-Si、f) Si@TiO2 h) Si@Li2O@TiO2 電極在循環前的 SEM 圖像；c) PV-WSi、e) P-Si、g) Si@TiO2 i) Si@Li2O@TiO2 電極在 2 A g-1 下循環 100 次后的 SEM 圖像。

結論

作者專注于 PV-WSi 的二維結構特性，借助 Forge Nano 流化床原子層沉積技術合成了具有高倍率和高初始庫侖效率（ICE）的硅基負極。

計算結果表明，PV-WSi 具有快速的鋰化/去鋰化能力和在循環過程中更均勻的應力分布。通過連續的流化床原子層沉積技術構建了厚度約為 1 納米的 Li2O 層和 4 納米的 TiO2 層。作為鋰離子電池負極，Si@Li2O@TiO2 展現出了超高的 ICE（90.9%）和良好的倍率性能（在20 A/g-1的速率下>900 mAh/g-1）。與 LiFePO4 正極組裝的全電池也顯示出穩定的循環穩定性（在0.5C的速率下 300 個循環后約為100 mAh/g）。

作者的研究為發展高倍率性能、高 ICE 的硅基負極提供了一種策略，為光伏產業的可持續發展做出了貢獻。