Artículo de investigación sobre baterías químicas

El silicio (Si) de alta capacidad se considera un material de ánodo potencial para baterías de iones de litio (LIB) de alto rendimiento. Sin embargo, la gran expansión del volumen durante la descarga/carga dificulta su capacidad real. En este artículo, el grupo de investigación del profesor Zhang Yafei publicó un artículo titulado "Tejido no tejido autoportante, flexible y sin adhesivos basado en fibras híbridas de grafeno/silicio para baterías de iones de litio de alto rendimiento", que diseñó una red conductora tridimensional. basado en tejido de fibra de grafeno flexible (GFF) para formar un ánodo de silicio autoportante y sin aglutinantes para baterías de iones de litio de alto rendimiento.

Las partículas de Si están fuertemente envueltas en fibras de grafeno. El grafeno cuyas arrugas dan lugar a una gran cantidad de huecos puede adaptarse eficazmente a los cambios de volumen del silicio durante el proceso de litiación/delitiación. El electrodo GFF/Si-37,5% mostró un excelente rendimiento cíclico después de 100 ciclos a una densidad de corriente de 0,4 Ma cm–2, con una capacidad específica de 920 Ma Hg–1. Además, el electrodo GFF/Si-29,1% mostró una excelente capacidad reversible de 580 Ma Hg-1 después de 400 ciclos a una densidad de corriente de 0,4 Ma cm-2. La tasa de retención de capacidad del electrodo GFF/Si-29,1% llega al 96,5%. Más importante aún, el electrodo GFF/Si-37,5% con una carga de masa de 13,75 mg·cm–2 logró una alta capacidad de área de 14,3 Mah·cm–2, que superó a los ánodos de Si autoportantes reportados. Este trabajo brinda la oportunidad de realizar ánodos de silicio autoportantes, flexibles y sin aglutinantes para LIB de alta energía.

Guía de lectura de gráficos

Figura 1. (a) Diagrama esquemático del proceso de fabricación del electrodo GFF/Si-X autoportante. Las fotografías digitales de (b) GOF/Si, (c) GOF/Si y (d) GFF/Si-X en disolvente de ácido acético revelan su flexibilidad. (e) Perfore el electrodo GFF/Si-37,5% en un disco pequeño con un área de 1,12 cm2.

Figura 2. (a) Imagen SEM de bajo aumento de GFF/Si-37,5% y (b) imagen SEM parcialmente ampliada que revela dos fibras separadas que se fusionan en una en el punto donde se encuentran. (c, d) Imágenes SEM de superficie y sección transversal de GFF/Si-37,5%.

Figura 3. Propiedades electroquímicas del electrodo GFF/Si-X a una densidad de corriente de 0,4 ma·cm-2: Todos los volúmenes específicos se calculan en función de la masa total del electrodo independiente. (a) Curva de tensión de carga/descarga del primer ciclo. (b) Análisis comparativo del hielo. (c) Comparación del rendimiento del ciclo. (d) Medición del CV del electrodo GFF/Si-37,5 % a una velocidad de escaneo de 0,2 mv s–1. (e) Evolución de la relación GFF/Si -37,5%. (f) Capacidad de área de electrodos GFF/Si-37,5% con diferentes pesos de ánodo.

Figura 4. Comparación del rendimiento del ciclo de electrodos GFF/Si-Hi, GFF/Si-37,5% y GFF/Si-800 C.

Figura 5. Análisis de composición de GFF/Si-HI, GFF/Si-37.5% y GFF/Si-800 C: (a) patrón XRD, (b) espectro Raman, (C) GFF/Si-HI en atmósfera de N2 curva TGA, ( d) Espectro FT-IR.

Figura 6. (a, b) Espectros Raman y patrones XRD del electrodo GFF/Si-37,5% antes y después del ciclo. Estudio de morfología del electrodo GFF/Si-37,5% después de 100 ciclos de descarga/carga: (c, d) se muestran imágenes SEM de baja y alta potencia después de la litiación/delitiación; . Imágenes de microscopía electrónica de transmisión y HRTEM; el recuadro es una imagen SAED de bajo aumento (g) mapeo elemental;

Resumen

En este estudio, se diseñó una red conductora tridimensional basada en GFF para ánodos de silicio independientes y sin adhesivos. La estructura GFF suprime con éxito la expansión del volumen del Si durante la carga y descarga. Se propone un nuevo método para preparar ánodos de silicio autoportantes, flexibles y sin aglutinantes para baterías de iones de litio de alto rendimiento.

Literatura:

https://doi.org/10.1021/ACSami.1c04277