在锂离子电池负极材料中, 硅基材料因理论比容量高(4200 mAh g-1)、嵌锂电位低、地壳储量丰富等优点, 受到研究者广泛关注。但是, 硅基材料在充放电循环过程中, 体积膨胀效应大, 严重阻碍着硅基材料的可逆循环利用。同时, 硅基材料缓慢的嵌脱锂动力学和差的导电性也是阻碍硅基材料产业化进程的重要原因。
近日, 华南师范大学李伟善教授和华南理工大学丘勇才教授课题组利用金属有机框架(ZIF-67), 通过热分解可控制备氮掺杂碳纳米管包硅(Si@N-doped CNTs)纳米复合材料。氮掺杂碳纳米管具有高的导电性和柔韧性, 既可作为柔性缓冲垫, 缓冲硅在嵌脱锂过程中的体积膨胀效应, 同时也可以有效地改善硅材料的导电性。该研究成果“Thermal pyrolysis of Si@ZIF-67 into Si@N-doped CNTs towards highly stable lithium storage”发表于Science Bulletin2020年第6期。华南师范大学硕士研究生金盾为该文第一作者。
Si@-doped CNTs作为锂离子电池负极材料时表现出色的电化学性能。即使在1000 mA g-1的电流密度下, 经过750次循环后, 半电池仍表现出1100mAh g-1的高度可逆循环比容量。同时Si@N-doped CNTs材料与商用的LiFePO4正极材料搭配组成的全电池, 在1/4 C(1 C = 4000 mA g-1)倍率下, 经过140次循环后, 全电池可以表现出1264mAh g-1的高度可逆循环比容量, 以及良好的循环稳定性(容量保持率> 85％)。
图1 (a) Si@N-doped CNTs 的合成示意图及其嵌脱锂示意图; Si@N-doped CNTs的SEM(b),TEM(c)及元素分布图(d~g)
图2 Si@N-doped CNTs XRD(a), TG(b), Raman(c)和HR-XPS N 1s图谱(d)
图3 Si@N-dopedCNTs电化学性能。(a) 0.1 mV s-1下Si@N-doped CNTs的 CV图谱; 500 mA g-1电流密度下Si@N-doped CNTs的充放电曲线(b)和循环稳定性曲线(c); (d) Si@N-doped CNTs 倍率性能测试; (e) 1000 mA g-1电流密度Si@N-doped CNTs的循环稳定性曲线
图4 原位TEM搭建示意图与硅嵌/脱锂的电镜图
图5 Si@N-doped CNTs//LiFePO4全电性能。1000 mA g-1电流密度下Si@N-doped CNTs//LiFePO4的循环稳定性曲线(a)和充放电曲线(b)