上海大学学报(自然科学版) ›› 2021, Vol. 27 ›› Issue (1): 144-153.doi: 10.12066/j.issn.1007-2861.2061
朱德伦, 彭雨晴, 白瑞成(), 李爱军, 赵添婷, 孙宁霞
收稿日期:
2018-05-21
出版日期:
2021-02-28
发布日期:
2020-01-31
通讯作者:
白瑞成
E-mail:rcbai@shu.edu.cn
作者简介:
白瑞成(1967---), 男, 研究员, 博士生导师, 博士, 研究方向为先进复合材料. E-mail: rcbai@shu.edu.cn基金资助:
ZHU Delun, PENG Yuqing, BAI Ruicheng(), LI Aijun, ZHAO Tianting, SUN Ningxia
Received:
2018-05-21
Online:
2021-02-28
Published:
2020-01-31
Contact:
BAI Ruicheng
E-mail:rcbai@shu.edu.cn
摘要:
以商品单质硅为原料, 利用金属辅助化学刻蚀方法结合化学镀方法制备了三 维多孔硅/银复合负极材料, 采用X射线粉末衍射仪、场发射扫描电镜及比表面与孔隙度分析 仪对其组成、结构、比表面积及孔隙率进行研究, 随后对其电化学性能进行研究. 结果表明, 三 维多孔硅呈现狭缝型的介孔, 平均孔径宽度为 12.5 nm, 比表面积达到 6.083 m$^{2}$/g. 三维多孔硅/银复合材料在 420 mA/g 条件下恒流充放电, 首循环放电比容量 2 822 mA$\cdot$h/g, 首循环库仑效率 87.8%, 经过 50 个循环后容量仍保持有 832 mA$\cdot$h/g. 研究表明: 三维多孔结构和银包覆层可以缓解嵌锂/脱锂时硅巨大的体积效应; 银包覆层可以改善硅基负极材料的电化学性能.
中图分类号:
朱德伦, 彭雨晴, 白瑞成, 李爱军, 赵添婷, 孙宁霞. 锂离子电池三维多孔硅/银复合材料负极设计及性能[J]. 上海大学学报(自然科学版), 2021, 27(1): 144-153.
ZHU Delun, PENG Yuqing, BAI Ruicheng, LI Aijun, ZHAO Tianting, SUN Ningxia. Design and fabrication of silver-coated three-dimensional porous silicon composite anode with high performance for lithium ion battery[J]. Journal of Shanghai University(Natural Science Edition), 2021, 27(1): 144-153.
[1] |
Armand M, Tarascon J M. Building better batteries[J]. Nature, 2008,451(7179):652-657.
doi: 10.1038/451652a pmid: 18256660 |
[2] |
Li J L, Daniel C, Wood D. Materials processing for lithium-ion batteries[J]. Journal of Power Sources, 2011,196(5):2452-2460.
doi: 10.1016/j.jpowsour.2010.11.001 |
[3] |
Tarascon J M, Armand M. Issues and challenges facing rechargeable lithium batteries[J]. Nature, 2001,414(6861):359-367.
doi: 10.1038/35104644 pmid: 11713543 |
[4] |
Obrovac M N, Christensen L. Structural changes in silicon anodes during lithium insertion/extraction[J]. Electrochemical and Solid-state Letters, 2004,7(5):a93-a96.
doi: 10.1149/1.1652421 |
[5] |
Xu K. Nonaqueous liquid electrolytes for lithium-based rechargeable batteries[J]. Chemical Reviews, 2004,104(10):4303-4418.
doi: 10.1021/cr030203g pmid: 15669157 |
[6] |
Kovalenko I, Zdyrko B, Magasinski A, et al. A major constituent of brown algae for use in high-capacity Li-ion batteries[J]. Science, 2011,334(6052):75-79.
doi: 10.1126/science.1209150 pmid: 21903777 |
[7] |
Cui L F, Yang Y, Hsu C M, et al. Carbon- silicon core- shell nanowires as high capacity electrode for lithium ion batteries[J]. Nano Letters, 2009,9(9):3370-3374.
doi: 10.1021/nl901670t pmid: 19655765 |
[8] |
Song T, Xia J, Lee J H, et al. Arrays of sealed silicon nanotubes as anodes for lithium ion batteries[J]. Nano Letters, 2010,10(5):1710-1716.
doi: 10.1021/nl100086e pmid: 20369889 |
[9] |
Bang B M, Lee J, Kim H, et al. High-performance macroporous bulk silicon anodes synthesized by template-free chemical etching[J]. Advanced Energy Materials, 2012,2(7):878-883.
doi: 10.1002/aenm.201100765 |
[10] |
Liu N, Lu Z, Zhao J, et al. A pomegranate-inspired nanoscale design for large-volume-change lithium battery anodes[J]. Nature Nanotechnology, 2014,9(3):187-192.
doi: 10.1038/nnano.2014.6 pmid: 24531496 |
[11] |
Usui H, Uchida N, Sakaguchi H. Improved anode performance of Ni-p-coated Si thick-film electrodes for Li-ion battery[J]. Electrochemistry, 2012,80(10):737-739.
doi: 10.5796/electrochemistry.80.737 |
[12] |
Huang Z, Geyer N, Werner P, et al. Metal-assisted chemical etching of silicon: a review[J]. Advanced Materials, 2011,23(2):285-308.
doi: 10.1002/adma.201001784 pmid: 20859941 |
[13] | 李宁. 化学镀实用技术 [M]. 北京: 化学工业出版社, 2012. |
Li N. Practical technology of electroless plating [M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2012. | |
[14] | 耿学文, 贺春林, 徐仕翀, 等. 银辅助化学刻蚀半导体材料[J]. 化学进展, 2012(10):1955-1965. |
Geng X W, He C L, Xu S C, et al. Siler-assisted chemical etching of semiconductor materia[J]. Progress in Chemistry, 2012(10):1955-1965. | |
[15] |
Chartier C, Bastide S, Lévy-Clément C. Metal-assisted chemical etching of silicon in HF-H$_{ 2}$O$_{ 2}$[J]. Electrochimica Acta, 2008,53(17):5509-5516.
doi: 10.1016/j.electacta.2008.03.009 |
[16] |
Usui H, Uchida N, Sakaguchi H. Influence of order in stepwise electroless deposition on anode properties of thick-film electrodes consisting of Si particles coated with Ni and Cu[J]. Journal of Power Sources, 2011,196(23):10244-10248.
doi: 10.1016/j.jpowsour.2011.08.018 |
[17] |
Kobayashi Y, Salgueiriñ-Maceira V, Liz-Marzá L M. Deposition of silver nanoparticles on silica spheres by pretreatment steps in electroless plating[J]. Chemistry of Materials, 2001,13(5):1630-1633.
doi: 10.1021/cm001240g |
[18] |
Wang Z, Peng S, Wen Y, et al. High-performance Si/organic hybrid solar cells using a novel cone-shaped Si nanoholes structures and back surface passivation layer[J]. Nano Energy, 2017,41:519-526.
doi: 10.1016/j.nanoen.2017.10.011 |
[19] | Rouquerol J, Rouquerol F, Llewellyn P, et al. Adsorption by powders and porous solids: principles, methodology and applications [M]. New York: Academic Press, 1999. |
[20] |
Thommes M, Kaneko K, Neimark A V, et al. Physisorption of gases, with special reference to the evaluation of surface area and pore size distribution (IUPAC Technical Report)[J]. Pure and Applied Chemistry, 2015,87(9/10):1051-1069.
doi: 10.1515/pac-2014-1117 |
[21] |
Zhang S S, Xu K, Jow T R. Electrochemical impedance study on the low temperature of Li-ion batteries[J]. Electrochimica Acta, 2004,49(7):1057-1061.
doi: 10.1016/j.electacta.2003.10.016 |
[22] |
Zou G, Jia X, Huang Z, et al. Cube-shaped porous carbon derived from MOF-5 as advanced material for sodium-ion batteries[J]. Electrochimica Acta, 2016,196:413-421.
doi: 10.1016/j.electacta.2016.03.016 |
[23] | Yin S, Ji Q, Zuo X, et al. Silicon lithium-ion battery anode with enhanced performance: multiple effects of silver nanoparticles[J]. Journal of Materials Science & Technology, 2018,34(10):1902-1911. |
[1] | 张燕锋, 蔡昌, 谈馨怡, 孙炜伟. 金属有机骨架衍生双金属氧化物的锂离性能[J]. 上海大学学报(自然科学版), 2021, 27(1): 125-132. |
[2] | 赵攀登, 何永超, 何新华, 冯笑笑, 浦娴娟, 程伶俐, 焦正. 双层壳结构 Co$_{\bf 2.7}\rm {\bf Cu_{0.3}O_{4}}$ 立方体复合材料的制备及锂电性能[J]. 上海大学学报(自然科学版), 2021, 27(1): 117-124. |
[3] | 朱影, 周荻雯, 唐燕, 王浩, 赵攀登, 浦娴娟, 焦正, 程伶俐. SnO$_{\boldsymbol{x}}$S$_{\boldsymbol{y}}$@PANI@rGO 复合材料的制备及其电化学性能[J]. 上海大学学报(自然科学版), 2021, 27(1): 78-85. |
[4] | 汤旭旭, 杨秦斯, 杨建伟, 孙炜伟. 共价有机骨架衍生的氮掺杂碳/碳纳米管杂化结构的储锂性能[J]. 上海大学学报(自然科学版), 2020, 26(6): 972-979. |
[5] | 陈思, 张勇, 张雪倩, 吕丽萍. 锂离子电池负极中一步球磨硅碳材料的应用[J]. 上海大学学报(自然科学版), 2020, 26(4): 578-585. |
[6] | 高阳, 蒋永, 焦正. 中空硅球/石墨烯复合材料制备及电化学性能[J]. 上海大学学报(自然科学版), 2020, 26(4): 586-594. |
[7] | 高文凯, 严利民, 孙叠. 一种变参数模型平方根 UKF 锂离子电池SOC 估计方法[J]. 上海大学学报(自然科学版), 2020, 26(3): 413-424. |
[8] | 罗志刚, 李琦, 陈大勇, 黄守双, 胡张军, 陈志文. MnO2@ZnO/C 复合材料的制备及电化学性能[J]. 上海大学学报(自然科学版), 2020, 26(1): 132-142. |
[9] | 郜子明, 董敬余, 陈大勇, 黄守双, 胡张军, 陈志文. 金属有机骨架材料 ZnCo$_{\textbf{2}}$O$_{\textbf{4}}$/ZnO 中空纳米盒的制备及其电化学性能[J]. 上海大学学报(自然科学版), 2019, 25(6): 950-956. |
[10] | 高宇芳, 彭雨晴, 孙宁霞, 李爱军, 白瑞成. 非刻蚀无钯活化化学镀铜 Kevlar 纤维的制备工艺及性能[J]. 上海大学学报(自然科学版), 2019, 25(1): 75-83. |
[11] | 苗纯杰, 胡志翔, 任兰兰, 郜子明, 董敬余, 李琦, 罗志刚, 陈志文. 镍掺杂SnO2纳米微球锂离子电池负极材料的制备及其性能[J]. 上海大学学报(自然科学版), 2016, 22(2): 239-244. |
[12] | 姬祥1, 宋亦诚2,3, 张俊乾2,3. 锂离子电池LixC6 扩散性质的分子动力学模拟[J]. 上海大学学报(自然科学版), 2014, 20(1): 68-74. |
[13] | 苏航1,2,陶城2,缪文泉3,程伶俐1,王勇1,焦正1. 锂离子电池能源材料研究进展[J]. 上海大学学报(自然科学版), 2011, 17(4): 555-561. |
[14] | 吴冯丹 顾燕 王勇. 锂电池负极材料石墨片的简单制备及其性能[J]. 上海大学学报(自然科学版), 2010, 16(5): 471-475. |
[15] | 张晓燕;任海峰;高利聪;曹泽淳. Ag80(WC70TiC30)17C3银基电接触材料化学镀的反应动力学[J]. 上海大学学报(自然科学版), 2008, 14(5): 521-524 . |
阅读次数 | ||||||
全文 |
|
|||||
摘要 |
|
|||||