中国科学(化学)2024,Vol.54Issue(3) :385-395.DOI:10.1360/SSC-2023-0114

压电效应调控硅碳复合材料锂离子输运行为研究

Regulation of lithium ion transport in Si/C anodes by piezoelectric effect

赵宏顺 李建斌 任玉荣
中国科学(化学)2024,Vol.54Issue(3) :385-395.DOI:10.1360/SSC-2023-0114

压电效应调控硅碳复合材料锂离子输运行为研究

Regulation of lithium ion transport in Si/C anodes by piezoelectric effect

赵宏顺 1李建斌 1任玉荣1
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作者信息

  • 1. 常州大学材料科学与工程学院,常州 213164;江苏省新能源汽车动力电池制造技术工程研究中心,常州 213164;江苏省高等学校优秀科技创新团队,常州 213164
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摘要

硅碳合金(Si/C)因其超高的比容量和合适的工作电压,更容易满足未来新能源汽车和储能设备对于电池高能量密度的要求.但其实际应用却受制于导电性差、反应动力学缓慢和体积效应明显(最高可达300%)等缺点.本文巧妙地利用硅负极在充放电循环中的"体积膨胀"特性构建了一种"序构"材料.通过在Si/C复合材料表面引入"主动参与、主动作为"的功能化压电修饰层钛酸铋钠(Bi0.5Na0.5TiO3,BNT),利用合金化反应产生的机械应力诱导压电材料产生局域电场,实现机械能转化为电能,来获得一定的功能性,更加有效地促进界面锂离子输运能力,同时缓解合金化反应引起的体积膨胀,从而维持良好的界面接触.协同效果驱动下的Si/C@CNTs@BNT复合电极材料在0.2Ag-1电流密度下,循环200圈之后,依然可以保持911.2 mAh g-1的可逆比容量,容量保持率为90.74%.

Abstract

Construction of ordered structures that respond rapidly to environmental stimuli has fascinating possibilities for utilization in energy storage.Silicon/carbon(Si/C)anodes with extremely high energy densities have sparked widespread interest for lithium-ion batteries(LIBs),while their implementation is constrained via mechanical structure deterioration,continued growth of the solid electrolyte interface(SEI),and cycling instability.In this study,a piezoelectric Bi0.5Na0.5TiO3(BNT)layer is facilely deposited onto Si/C@CNTs anodes to drive piezoelectric fields upon large volume expansion of Si/C@CNTs electrode materials,resulting in the modulation of interfacial Li+kinetics during cycling and providing an electrochemical reaction with a mechanically robust and chemically stable substrate.When evaluating as an anode,the Si/C@CNTs@BNT anode displays exceptional cycling performance(911.2 mAh g-1 at 0.2 A g-1 for 200 cycles with a retention of 90.74%).

关键词

锂离子电池/硅碳负极/压电效应/应力调控

Key words

lithium-ion batteries/Si/C anode/piezoelectric effect/stress regulation

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基金项目

国家自然科学基金(U22A20420)

国家自然科学基金(22078029)

国家自然科学基金(22208029)

常州市领军型创新人才引进培育项目(CQ20210100)

江苏省研究生科研创新计划(KYCX23_3027)

出版年

2024
中国科学(化学)
中国科学院

中国科学(化学)

CSTPCD北大核心
影响因子:0.685
ISSN:1674-7224
参考文献量37
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