白金會(huì)員
已認(rèn)證
鋰離子電池中電極的機(jī)械性能對(duì)其電化學(xué)性能有巨大影，尤其是對(duì)于硅基電極。在循環(huán)過(guò)程中，硅基電極會(huì)被粉碎并形成不穩(wěn)定的固體電解質(zhì)界面。復(fù)旦大學(xué)夏永姚教授、王永剛教授發(fā)表了一種在鎳內(nèi)核載體（si@nixsi/ni）上生長(zhǎng)的薄硅包覆硅化鎳納米粒子作為鋰離子電池的負(fù)極材料。超薄納米硅層有助于實(shí)現(xiàn)合理的高能量密度，并因其高比容量和較短的鋰離子擴(kuò)散長(zhǎng)度而能夠?qū)崿F(xiàn)快速的鋰離子擴(kuò)散。
首先使用高能球磨研磨ni和納米硅顆粒1小時(shí)，產(chǎn)生ni– si核殼結(jié)構(gòu)。然后，預(yù)活化的核-殼納米結(jié)構(gòu)在惰性ar氣氛中在 800 c下退火4小時(shí)，使硅化鎳在si-ni界面之間生長(zhǎng)。在硅化物形成過(guò)程中，鎳原子通過(guò)鎳/硅化物界面向外擴(kuò)散，而硅原子通過(guò)硅化物/硅界面向內(nèi)擴(kuò)散。
si@nixsi/ni 核的組成和形態(tài)-殼結(jié)構(gòu)受退火溫度和前體樣品摩爾比的顯著影響。樣品的容量保持率隨著 si 摩爾比的增加而急劇下降。 ni/si 摩爾比為 1:0.5 的電極表現(xiàn)出Zui佳性能，具有合理更高的比容量和出色的穩(wěn)定性。與原始 si 電極相比，si@nixsi/ni 核殼電極表現(xiàn)出更好的循環(huán)性能。
夏永姚教授、王永剛教授使用簡(jiǎn)單的兩步合成方法證明了si@nixsi/ni核殼電極作為鋰離子電池負(fù)極材料。在研究中發(fā)現(xiàn)， 呈現(xiàn)輻射分布的nixsi層，通過(guò)溫度引起的si外擴(kuò)散和ni內(nèi)擴(kuò)散在si核和 ni殼界面之間產(chǎn)生，以最小的體積膨脹實(shí)現(xiàn)相當(dāng)高的比容量。
si@nixsi/ni核殼電極在500 ma/g 的電流密度下表現(xiàn)出706.1 mah/g的電荷比容量。是傳統(tǒng)的石墨陽(yáng)極的兩倍。該結(jié)構(gòu)還顯示出 81.5% 的高第Yi循環(huán)庫(kù)侖效率。有趣的是，si@nixsi/ni 核殼電極在 500 ma/g的電流密度下循環(huán)壽命超過(guò)5000 次，容量保持率為74%
si@nixsi/ni核殼電極提供了相當(dāng)高的比容量和超長(zhǎng)的循環(huán)壽命，其原因主要有以下三點(diǎn)：
① 由于其高比容量和縮短的鋰離子擴(kuò)散長(zhǎng)度，超薄納米硅層提高了材料的能量密度并允許快速的鋰離子擴(kuò)散
② 梯度分布的 nixsi 層使我們能夠以最少的電極材料粉化獲得相當(dāng)高的比容量
③ ni內(nèi)核提供機(jī)械支撐以在延長(zhǎng)的鋰化/脫鋰過(guò)程中保持納米顆粒的結(jié)構(gòu)完整性
夏永姚，復(fù)旦大學(xué)特聘教授，博士生導(dǎo)師；蘇州大學(xué)兼職教授，浙江師范大學(xué)客座教授；杭州市錢江特聘專家。
研究方向?yàn)槲锢砘瘜W(xué)和材料科學(xué)的交叉領(lǐng)域-功能材料電化學(xué)，當(dāng)前主要的研究方向?yàn)椋?）新型儲(chǔ)能材料和儲(chǔ)能技術(shù)的研究，包括液體鋰離子電池、電化學(xué)電容器、染料敏化太陽(yáng)能電池、燃料電池等；（2）無(wú)機(jī)-有機(jī)納米復(fù)合材料在儲(chǔ)能、催化、光致發(fā)光、物質(zhì)分離及生物醫(yī)藥等領(lǐng)域中的應(yīng)用；3）功能材料的理論計(jì)算和模擬等研究。
德國(guó)Fritsch公司是實(shí)驗(yàn)室樣品預(yù)處理和顆粒度分析的專家。飛馳小型行星式高能球磨機(jī)/儀P7加強(qiáng)型利用行星公轉(zhuǎn)、自轉(zhuǎn)原理，研磨球在研磨碗內(nèi)進(jìn)行高速的運(yùn)動(dòng)，通過(guò)高能的摩擦力和沖擊力實(shí)現(xiàn)樣品的粉碎，可快速將樣品研磨至1μm以下，最終細(xì)度可達(dá)到< 0.1μm。
