Adv Mater | 無定形TiO2殼層提高矽負極的性能和安全性

2021-02-24 材聲到

本文原發於微信公眾號「材聲到」，微信號「nano-chemistry」。

Amorphous TiO2 Shells: A Vital Elastic Buffering Layer on Silicon Nanoparticles for High-Performance and Safe Lithium Storage，Advanced Materials，DOI: 10.1002/adma.201700523 。第一作者：Jianping Yang，通訊作者：羅維，東華大學；趙東元，復旦大學。

矽被認為有望用於高容量鋰離子電池負極，但是其充放電過程中體積變化巨大(400%)，導致電極結構坍塌和 SEI 不斷破壞再生成，帶來的副反應嚴重降低了矽負極的循環壽命。製備具有核殼結構或空心殼結構的複合材料能提高導電性、避免矽和電解液直接接觸以控制 SEI 形成，從而改善矽負極性能。最近，TiO2 被認為適用於做包覆材料，特別是相比碳基殼層，這是因為其嵌入鋰後體積變化極小、熱穩定性好等一系列優點。

在這篇文章中，作者使用溶膠凝膠法，在商用納米矽表面包覆一層無定形 TiO2，形成核殼結構，其具有良好的電化學性能和安全性。無定形 TiO2 厚度約 3 nm，在充放電過程中富有彈性，保持了結構完整性；作者認為 SEI 主要在  TiO2 表面形成，殼結構阻擋了電解液與矽直接接觸。Si@a-TiO2 中矽的含量達 89 wt%，負載量 0.621 mg cm−2，首次庫倫效率達 86.1%, 0.1C 循環200周後容量有 1720 mA h g−1，展現出良好的循環穩定性。另外，加速量熱儀測試表明， 相較於常規的碳包覆矽，Si@a-TiO2 的安全性更好。

圖1 材料製備圖示和表徵

圖2 譜學表徵

圖3 電化學性能

圖4 充放電過程中材料結構演化及循環後材料表徵

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