同济杨正龙教授课题组 CEJ：无定形B、N共掺碳纳米管网络封装微米氧化亚硅用于高容量和长循环寿命的锂离子半/全电池

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【研究背景】

锂离子电池（LIBs）因高能量密度和高功率密度被广泛应用在消费电子和新能源汽车领域，但商业石墨负极因有限理论容量难以再满足对更高性能LIBs的追求。硅（Si）因为超高的理论比容量和较低的放电电压而受到广泛研究。但单质硅在锂化状态下会产生~300%的体积变化，会导致SEI膜的反复破裂和生成、电解质的消耗和容量的迅速衰减。非晶态氧化亚硅（SiO_x，0<x<2）由于首圈嵌锂时除可逆的锂硅合金外还会生成氧化锂和锂硅酸盐等惰性成分，因此体积膨胀和循环寿命较单质Si有所缓和，又因为其具有高理论储锂容量，在众多负极材料中脱颖而出。特别是微米SiO_x（m-SiO_x）更具高振实密度、低成本等综合优势，被认为是更有潜力替代石墨负极的硅基材料。然而，不可忽视的体积膨胀和固有电导率差的问题仍使得m-SiO_x负极无法达到理想的储锂性能。

将m-SiO_x与碳基质复合是解决上述问题的重要途径。碳纳米管（CNTs）具有优越的长径比、良好的机械性能和电学性能，能够提高电极导电性且作为缓冲基质优化m-SiO_x的循环稳定性。迄今为止，已有两种通常采用的制备Si/CNTs或SiO_x/CNTs复合材料的策略。一种是将硅基材料与商业CNTs通过超声分散或球磨进行物理混合，该方法无法保证Si/ SiO_x与CNTs之间稳定的电接触，一维CNTs有重新聚集的倾向，电极结构在嵌锂/脱锂时容易坍塌。另一种方法是利用催化剂在Si/ SiO_x周围实现CNTs的催化生长，该方法流程复杂，且催化剂无法除去不利于容量和循环能力。因此，探索一种简便的制备方法以实现CNTs在m-SiO_x周围的原位生长是十分必要。

【内容表述】

在本工作中，以尿素、硼酸、聚乙二醇、SnCl₂·2H₂O和m-SiO_x粉末为原料，通过金属辅助碳化的方法制备非晶B、N共掺杂碳纳米管网络封装m-SiO_x的结构，命名为m-SiO_x@a-Sn@a-BCN，简写为SSBCN。在碳化过程中，尿素、硼酸、聚乙二醇首先生成碳纳米片，无定形的Sn金属团簇（a-Sn）嵌入片层表面产生收缩应力，在表面应变驱动下片状结构卷曲成a-Sn@a-BCN纳米管结构。三维多孔的a-Sn@a-BCN纳米管框架适应m-SiO_x在循环时的体积改变，阻止裂纹的产生和颗粒的粉化，提高结构完整性。中空的碳纳米管保证更快速有效的Li⁺/e^-传输，促进电解液渗透。Sn、B、N原子的成功掺杂有协同作用，提高复合材料导电性的同时产生可提升整体储锂容量的活性位点。源于以上结构优势，SSBCN负极表现出超高可逆容量（在0.1 A g^-1下表现出2072.8 mAh g^-1）、出色的长循环寿命（在1 A g^-1下维持400个循环周期，在5 A g^-1下维持1000个循环周期）和卓越的倍率性能（在10 A g^-1下表现出501.8 mAh g^-1）。

图1 （a）SSBCN的制备示意图；（b）m-SiO_x、（c-d）SSBCN的SEM图像；（e-g）SSBCN的TEM图像；（h）SSBCN的HADDF-STEM mapping图像。

图2 (a) SSBCN前三圈CV曲线；(b) 0.2 A g^-1循环曲线；(c) 微分容量曲线；(d) 在0.005-0.9 V和0.9-3 V的可逆容量；(e) 倍率曲线；(f) 1和5 A g^-1循环曲线；(g) 性能对比图。

图3 不同扫速下(a) SSBCN的CV曲线，(b) m-SiO_x@a-BCN的CV曲线，(c) 赝电容控制贡献率；m-SiO_x和SSBCN电极的(d) GITT曲线；(e) D_Li⁺；(f, g) 原位拉曼光谱。

随着扫速递增，赝电容控制电荷存储贡献占比逐渐增加，在1 mV s^-1时占到65.8%。高占比得益于中空碳纳米管网络加快电化学动力学。经GITT分析，SSBCN复合材料的Li⁺扩散速率得到改善。原位拉曼显示m-SiO_x活性材料的利用率增加，电解液渗透加速，再次证明多孔和中空a-Sn@a-BCN纳米管对增强Li⁺迁移和反应速率的重要性。

图4 (a, b) m-SiO_x和(e, f) SSBCN电极循环前后的截面SEM图像；(c, d) m-SiO_x和(g, h) SSBCN电极循环后TEM图像；(i-k) 循环后的XPS波谱；（l）m-SiO_x和SSBCN电极储锂行为示意图。

对循环后极片进行表征分析以更深入探究电极的稳定性。SSBCN的厚度膨胀率最低，循环后颗粒结构保持最为完整，且表面生成稳定均匀的SEI膜。XPS表征LiF，Li₂O，Li₂CO₃和Li_xPO_yF为循环后SEI膜的主要成分。a-Sn@a-BCN纳米管的包覆有效减少SSBCN负极的电荷转移阻抗。以上信息证明弹性a-Sn@a-BCN网络有效缓解嵌锂/脱锂时的体积变化，利于稳定SEI膜形成的循环稳定性的保持。

图5 (a) SSBCN//LFP全电池示意图；(b) 前三圈充放电曲线；(c, d) 循环曲线；(e) 倍率曲线。

以SSBCN和LFP为负极和正极组装全电池，优化后的SSBCN//LFP全电池表现出优异的库伦效率、倍率性能和长循环稳定性，显示了SSBCN负极在LIBs中实际应用的潜力。SSBCN复合材料在半/全电池均表现出出色的储锂性能，为m-SiO_x负极性能的改善提供了可行的解决方案，在高能量密度LIBs中具有广阔的应用前景。

作者简介：

同济大学材料科学与工程学院硕士研究生沈冰心为论文的第一作者，付宁博士、黄佳教授和杨正龙教授为通讯作者，课题组致力于锂离子电池负极材料、固态电解质和有机/无机纳米复合材料及光电器件相关方向的研究

原文链接

https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.140820

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