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原子層沉積 ALD 用戶分享:光伏硅切割廢料制備高性能硅基負(fù)極

發(fā)布時間: 2024-07-15  點擊次數(shù): 3018次

用戶前沿成果分享

 

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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(jié)構(gòu)特性,借助Forge Nano PROMETHEUS 流化床原子層沉積系統(tǒng)在硅廢料表面連續(xù)、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(fù)極材料,為光伏硅廢料的增值利用提供了新思路。相關(guān)論文發(fā)表在 Advanced Functional Materials 上。昆明理工大學(xué)冶金與能源工程學(xué)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(xiàn)解讀

 

背景介紹

 

隨著車輛續(xù)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(yè)化 LIBs 能量密度的優(yōu)選負(fù)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(fù)極仍然面臨著重大挑戰(zhàn)。近年來人們開始關(guān)注光伏硅廢料(PV-WSi)在制備硅基負(fù)極方面的應(yīng)用。充分利用 PV-WSi 的二維結(jié)構(gòu)特性,制備高倍率和高 ICE 硅基負(fù)極是一項具有挑戰(zhàn)性但有意義的任務(wù)。

 

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(jié)構(gòu),并借助Forge Nano PROMETHEUS 流化床原子層沉積技術(shù),同時實現(xiàn)了高 ICE 和高倍率性能的硅基負(fù)極。

 

Li+ 嵌入垂直于 PV-WSi 二維片狀結(jié)構(gòu)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(tǒng)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(jìn)一步抑制硅的體積膨脹,并阻止硅與電解液之間的副反應(yīng)。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(fù)極和 LiFePO4 正極的全電池,在 0.5C 的速率下進(jìn)行 300 個循環(huán)后,穩(wěn)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(fù)極的發(fā)展提供了新思路。

 

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Si@Li2O@TiO2 的合成示意圖

 

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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。

 

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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(fù)極材料的 ICE 進(jìn)行比較;d) PV-WSi、P-Si、Si@Li2O、Si@TiO2 和 Si@Li2O@TiO2 的循環(huán)性能以及 e) 前面十個循環(huán)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(huán)性能。

 

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a) PV-WSi、P-Si、Si@Li2O@TiO2 電極在 2 A g-1 下循環(huán) 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(huán)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(huán) 100 次后的 SEM 圖像。

 

結(jié)論

 

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

 

計算結(jié)果表明,PV-WSi 具有快速的鋰化/去鋰化能力和在循環(huán)過程中更均勻的應(yīng)力分布。通過連續(xù)的流化床原子層沉積技術(shù)構(gòu)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(fù)極,Si@Li2O@TiO2 展現(xiàn)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(wěn)定的循環(huán)穩(wěn)定性(在0.5C的速率下 300 個循環(huán)后約為100 mAh/g)。

 

作者的研究為發(fā)展高倍率性能、高 ICE 的硅基負(fù)極提供了一種策略,為光伏產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。 

 

 

 

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