FRITSCH WITH 夏永姚教授 | 薄硅包覆硅化镍纳米粒子负极材料的制备与成果

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• 时间：2021-12-30 09:13

锂离子电池中电极的机械性能对其电化学性能有巨大影，尤其是对于硅基电极。在循环过程中，硅基电极会被粉碎并形成不稳定的固体电解质界面。复旦大学夏永姚教授、王永刚教授发表了一种在镍内核载体（Si@NixSi/Ni）上生长的薄硅包覆硅化镍纳米粒子作为锂离子电池的负极材料。超薄纳米硅层有助于实现合理的高能量密度，并因其高比容量和较短的锂离子扩散长度而能够实现快速的锂离子扩散。

【研究过程】

 ↑ 此图为FRITSCH制作的实验过程示意图

首先使用高能球磨研磨Ni和纳米硅颗粒1小时，产生Ni– Si核壳结构。然后，预活化的核-壳纳米结构在惰性Ar气氛中在 800 C下退火4小时，使硅化镍在Si-Ni界面之间生长。在硅化物形成过程中，镍原子通过镍/硅化物界面向外扩散，而硅原子通过硅化物/硅界面向内扩散。

 

Si@NixSi/Ni 核的组成和形态-壳结构受退火温度和前体样品摩尔比的显着影响。样品的容量保持率随着 Si 摩尔比的增加而急剧下降。 Ni/Si 摩尔比为 1:0.5 的电极表现出最佳性能，具有合理更高的比容量和出色的稳定性。与原始 Si 电极相比，Si@NixSi/Ni 核壳电极表现出更好的循环性能。

 

【研究成果】夏永姚教授、王永刚教授使用简单的两步合成方法证明了Si@NixSi/Ni核壳电极作为锂离子电池负极材料。在研究中发现， 呈现辐射分布的NixSi层，通过温度引起的Si外扩散和Ni内扩散在Si核和 Ni壳界面之间产生，以最小的体积膨胀实现相当高的比容量。

 

Si@NixSi/Ni核壳电极在500 mA/g 的电流密度下表现出706.1 mAh/g的电荷比容量。是传统的石墨阳极的两倍。该结构还显示出 81.5% 的高第一循环库仑效率。有趣的是，Si@NixSi/Ni 核壳电极在 500 mA/g的电流密度下循环寿命超过5000 次，容量保持率为74%

Si@NixSi/Ni核壳电极提供了相当高的比容量和超长的循环寿命，其原因主要有以下三点：

① 由于其高比容量和缩短的锂离子扩散长度，超薄纳米硅层提高了材料的能量密度并允许快速的锂离子扩散

② 梯度分布的 NixSi 层使我们能够以最少的电极材料粉化获得相当高的比容量

③ Ni内核提供机械支撑以在延长的锂化/脱锂过程中保持纳米颗粒的结构完整性