首尔大学EcoMat： NaCl亚微米晶辅助合成SiOx/C，天然稻壳制备高性能锂电负极

本文来源于EcoMat，欢迎浏览！

研究背景

锂离子电池（LIBs）已在市场中广泛应用，石墨是传统LIBs中典型的负极材料，具有成本低、结构稳定、倍率性能优异等优势，但石墨理论容量低（LiC6 = 372 mAh g⁻¹），限制了LIBs高能量密度的实现。氧化亚硅（SiOx；0 < x ≤ 2）具有稳定的结构和高比容量（约800 mAh g⁻¹），用作LIBs负极时表现出高初始库仑效率（ICE）和优异的的循环性能，是一种有前景的LIBs负极候选材料。但在锂化/去锂化过程中，SiOx会发生大的体积变化，从而降低其循环寿命；且由于SiOx固有的低电导率，导致其难以实现高倍率性能。因此，将SiOx与碳材料复合，制备获得SiOx/C复合负极，可以缓解SiOx的体积变化并提高电极材料电导率。近期，以稻壳（RH）为原料制备电极材料引起了广泛关注。全球稻谷种植产生了大量的稻壳（RH），RH由木质素（20%）、全纤维素（55%）、二氧化硅（20%）和矿物质（5%）组成。RH的碳化可以产生同时含有Si-O和C的源材料，有助于制备SiOx/C复合材料。但目前以RH为原材料制备SiOx/C在环境污染以及制备方法方面仍存在一定的问题。因此，需要开发环保、简单、高效且经济的电极材料制备方法。

成果简介

首尔大学Yuanzhe Piao团队在EcoMat发表研究论文，作者采用NaCl亚微米晶辅助合成方法，以稻壳为原料制备SiOx/C电极材料。这种制备方法可以减轻环境污染和危害、简化制备过程，并提高材料的电化学性能。在合成过程中，NaCl可以诱导催化石墨化、碳活化和非晶态硅的形成。此外，NaCl只被部分消耗，后续可以重结晶和无限重复使用。本工作以稻壳为原料制备得到的SiOx/C在用作LIBs负极时，在0.05 A∙g⁻¹电流密度下表现出高达422.05/915.93 mAh∙g⁻¹的初始充放电容量以及稳定的循环性能。

图文详情

示意图1 (A) 稻壳作为锂离子电池可持续的负极材料来源。(B) 亚微米NaCl晶粉辅助球磨稻壳（MRH）制备SiOx/C复合材料（S-MRH）。

图1 扫描电子显微镜（SEM）图：(A) 原始稻壳，(B) 球磨稻壳（MRH），(C) B-MRH_1st C，(D) B-MRH_2nd C，(E) S-MRH_1st C，和(F) S-MRH_2nd C。

图2 (A) BET氮吸附-脱附曲线。(B) B-MRH_1st C、B-MRH_2nd C、S-MRH_1st C 和 S-MRH_2nd C 样品的BJH孔径分布。

图3 (A-D) B-MRH_1st C、B-MRH_2nd C、S-MRH_1st C 和 S-MRH_2nd C 的X射线衍射（XRD）图谱。(E) B-MRH_1st C、B-MRH_2nd C、S-MRH_1st C 和 S-MRH_2nd C 的拉曼光谱。

图4 (A, B) 高分辨透射电子显微镜（HR-TEM）图像，(C) 选区电子衍射（SEAD），以及(D) B-MRH_2nd C 的能谱分析（EDS）。(E, F) 高分辨透射电子显微镜（HR-TEM）图像，(G) 选区电子衍射（SEAD），以及(H) S-MRH_2nd C 的能谱分析（EDS）。

图5 (A, B) B-MRH_2nd C 和 S-MRH_2nd C 的宽范围X射线光电子能谱（XPS）图谱。(C, D) B-MRH_2nd C 和 S-MRH_2nd C 的Si 2p能谱。(E, F) B-MRH_2nd C 和 S-MRH_2nd C 的C 1s能谱。

示意图2 亚微米NaCl晶粉在合成SiOx/C复合材料中的作用

图6 (A) B-MRH 和 S-MRH 的初始循环伏安（CV）扫描曲线（扫描速率0.05 mV∙s⁻¹），(B) B-MRH 和 S-MRH 在0.05 mV∙s⁻¹下10个循环的CV曲线。(C) B-MRH 和 S-MRH 在0.05–2.0 mV∙s⁻¹下的CV曲线。(D) 阳极峰电流（Ip）与不同扫描速率的平方根的关系图。(E) B-MRH 和 S-MRH 电极在0.05–1.5 A∙g⁻¹下的倍率性能。(F) B-MRH 和 S-MRH 在0.05 A∙g⁻¹下第一和第二周期的恒流充放电曲线。(G) S-MRH 电极在0.05–1.5 A∙g⁻¹的恒流充放电曲线。(H) B-MRH 和 S-MRH 电极在0.5 A∙g⁻¹下的循环性能。

图7 (A) 循环前 (B) 100圈循环后对称电池的电化学阻抗谱（EIS）以及（c）等效电路图。(D) B-MRH 和 (E) S-MRH 电极初始状态的SEM图。(F) B-MRH 电极经过100个循环后的SEM图，及其(G) 横截面SEM图 。(H) S-MRH 电极经过100个循环后的SEM图像，及其(I) 横截面SEM图。

点击阅读原文

《生态材料（英文）》（EcoMat）是由香港理工大学与Wiley共同出版的开放获取旗舰期刊，聚焦绿色能源与环境领域的先进功能材料，旨在成为国际高质量的跨学科科学研究交流平台。期刊2022年度影响因子为14.6，JCI指数1.28，5年影响因子14.7，2022年度CiteScore为15，篇均来源期刊标准影响指标为1.647。在材料科学各领域位列前茅，其中科院分区为材料科学2区、材料科学综合3区、绿色可持续发展技术3区、物理化学2区。先后收录于DOAJ、SCIE、 ESCI等数据库。

点击投稿