现代工学院李爱东课题组基于分子/原子层沉积的纳米多孔-致密双保护层实现了长寿命硅负极

发布者:袁敏敏发布时间:2021-11-09浏览次数:10

硅负极具有较高的理论容量(Li22Si54200 mAh g-1),在锂离子电池负极材料中展示出巨大的应用潜力。然而硅材料循环过程中巨大的体积膨胀/粉化效应限制了它的实际应用。针对这一问题,一个有效方法是对硅负极表面进行高质量包覆。原子层沉积技术(Atomic layer deposition, ALD)是一种正在蓬勃发展中的新型薄膜材料沉积技术,具有优异的三维共形性和大面积的均匀性,简单精确的薄膜控制,特别适合复杂表面形状以及深孔洞的填隙生长。分子层沉积(Molecular Layer Deposition, MLD)作为ALD的一个亚类,在前驱体中引入有机分子,将ALD生长材料的范围由无机材料拓宽到有机聚合物和无机-有机杂化物。当前,ALD/MLD制备的功能薄膜及无机-有机杂化薄膜在硅负极中的应用已经悄然兴起。

在之前的研究中,通常采用单一致密的ALDMLD薄膜提升硅负极的循环稳定性。但是,单一的ALD刚性无机物薄膜或MLD柔性有机、无机-有机杂化薄膜均无法获得结构稳定硅负极,其循环性能往往小于600次;另外,由于所用MLD无机-有机杂化薄膜中的致密结构,不可避免的增加了锂离子输运的阻力。因此,为实现长寿命原子/分子层沉积薄膜保护的硅负极体系,其关键在于保证循环过程中快速的锂离子输运动力学及电极结构的稳定性。

近日,南京大学现代工学院李爱东课题组结合ALDMLD策略制备了一种纳米多孔-致密双保护层(zincone/TiO2,并将其应用于纳米硅颗粒负极(Si@zincone/TiO2),电极材料首次库仑效率高达81.9%,在4 A g-1下的倍率为1224 mAh g-1;更重要的是,1000次循环后该负极体系放电容量保持在753mAh g-1。研究者从有限元仿真、第一性原理和恒流间歇滴定技术探究了纳米多孔-致密薄膜(zincone/TiO2)的保护机制。一方面,内层柔性多孔的锌氧烷(zincone10 nm通过孔洞的变形来容纳硅颗粒的体积膨胀,缓解应力集中,而刚性的外层TiO25 nm)为电极颗粒提供了理想的机械强度;另一方面,内层柔性多孔的锌氧烷(zincone10 nm)为锂离子输运提供了大量通道,确保了电极材料循环过程中出色的容量。

1. Si@zincone/TiO2的制备过程及显微照片

2. Si@zincone/TiO2的循环性能及有限元仿真结果

以上相关成果以Dual-Design of Nanoporous to Compact Interface via Atomic/Molecular Layer Deposition Enabling a Long-Life Silicon Anode为题发表在国际期刊Advanced Functional Materialshttps://doi.org/10.1002/adfm.202109682。论文的第一作者为南京大学现代工程与应用科学学院2019级博士生房佳斌,通讯作者为南京大学现代工程与应用科学学院的李爱东教授,合作者包括南京理工大学的曹燕强副教授。本工作得到了国家自然科学基金(52073142, 51721001, 51802150)、江苏省自然科学基金(BK20201252)等项目的支持。