西安交大科研人员在锂离子电池电极材料结构设计方面取得新进展

电极材料在嵌/脱锂过程中会伴随着体积的膨胀/收缩,而这种体积效应往往会导致材料破碎失效。因此,电极材料在充放电循环过程中的结构稳定性,对电池的容量、倍率以及循环寿命等性能有着至关重要的影响。

基于二氧化硅(SiO2)作为填料可以提高复合材料机械性能这一现象,西安交通大学电气学院牛春明千人团队王红康老师课题组设计并成功制备了一种SiO2增强的多孔Sb/C纤维复合材料。利用静电纺丝法将硅源(硅酸乙酯)、锑源(三氯化锑)和碳源(聚乙烯吡咯烷酮)制备成纤维结构,再通过热处理一步形成了多孔碳纤维包覆SiO2和Sb纳米颗粒的独特结构。SiO2的引入大大增强了纤维的整体结构稳定性。作为锂离子电池负极材料,所得SiO2/Sb/C多孔纤维电极在半电池和全电池测试中均显示了优异的电化学性能。碳纤维不但提高了电极材料的导电性,而且其多孔结构有效消纳了SiO2和Sb在嵌/脱锂过程中体积变化。通过原位和非原位电镜表征,进一步揭示了该材料在嵌/脱锂过程中的结构稳定性。该工作提出的电极材料结构增强思路,即利用SiO2增强效应(Silica-Reinforcement Effect)同步实现了电极结构稳定性和储锂性能的双提升,且该方法具有通用性(Materials Today Energy 2016, 1–2, 24-32;Nanoscale 2016, 8, 7595-7603)。

该研究成果以题为“Encapsulating Silica/Antimony into Porous Electrospun Carbon Nanofibers with Robust Structure Stability for High-Efficiency Lithium Storage”在线发表于纳米领域国际权威期刊 ACS Nano(影响因子13.942)上。西安交通大学电气学院为该论文第一完成单位,王红康为论文的第一作者和通讯作者。合作者包括西安交通大学米少波教授、厦门大学张桥保教授和香港城市大学Andrey Rogach教授等。

研究工作得到了国家自然科学基金,西安交通大学“青年拔尖人才支持计划”、唐仲英基金会、电气学院青年教师支持计划和电力设备电气绝缘国家重点实验室、西安交通大学分析测试共享中心的支持。

文章链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.7b09092