A Highly Efficient One-step Preparation Method of Nano-silicon and Carbon Composite for High-performance Lithium Ion Batteries

doi:10.7503/cjcu20210165

Abstract

Abstract:

Lithium-ion batteries（LIBs） have been widely applied in portable electronic devices and electric vehicles and energy storage industries. However， with the rapid development of our society， it is more and more difficult to meet the increasing demand of people for commercial LIBs because their energy densities are generally lower than 250 W·h/kg. Thus， it is urgent to further develop higher-capacity electrode materials to efficiently increase the energy densities of LIBs. Silicon is a very attractive anode material for LIBs with superhigh theoretical capacity（4200 mA·h/g）， suitable working potential and abundant earth reserve. Although the pure Si material suffers from poor cycling performance due to very large volume change during repeated lithiation/delithiation， recent researches have shown that the homogeneous carbon composite for nano-silicon could improve the cycling performance effectively. But the preparation methods of nano-silicon and carbon composite are still very complicated， limiting the large-scale preparation and application. A highly efficient one-step method to synthesize the homogeneous composite between nano-silicon and carbon sheet（nano-Si/C） was developed through mechanically milling SiCl₄， Mg₂Si and commercial carbon sheets. During the milling process， nano-Si is produced from the bottom-up reduction of SiCl₄. The in situ formed nano-Si can directly grow on the carbon sheet， further leading to homogeneous composite between nano-Si and carbon sheet. This method possesses a very high reaction efficiency as reactants convert into nano-Si and MgCl₂ completely without the gene-ration of any impurities. The scanning electron microscopy（SEM） and transmission electron microscopy（TEM） display that the nano-Si supported on carbon sheet is around 30—80 nm in diameter. As the anode material for LIBs， the nano-Si/C sample shows a very high reversible capacity（2450 mA·h/g at 0.2 A/g）， good rate performance（1040 mA·h/g at 4.8 A/g） and excellent long cycling stability（retaining 1400 mA·h/g even after 600 cycles at 2 A/g）. The cyclic voltammograms of nano-Si/C at different sweep rates demonstrate the electrochemical kinetics is controlled by both lithium diffusion process and pseudocapacitance effect. The outstan-ding electrochemical performance is mainly attributed to the uniform composite nanostructures between small-sized nano-Si and carbon sheet， which can maintain the structural integrity and stable electrochemical properties after lithiation/delithiation cycles， as suggested by the electrochemical impedance spectroscopy and SEM images tested after cycles. Combining cheap reactants， simple preparation step and homogeneous composite structure， this method is very promising for low-cost and large-scale preparation of high-performance Si and carbon composite anode with good application prospect.

Key words: Lithium-ion battery, Anode material, Nano-Si/C composite, One-step synthesis method

CLC Number:

O646

TrendMD:

WU Zhuoyan, LI Zhi, ZHAO Xudong, WANG Qian, CHEN Shunpeng, CHANG Xinghua, LIU Zhiliang. A Highly Efficient One-step Preparation Method of Nano-silicon and Carbon Composite for High-performance Lithium Ion Batteries[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(8): 2500.

Figures/Tables 8

References 53

1	Armand M.， Tarascon J. M.， Nature， 2008， 451（7179）， 652—657
2	Wu F.， Maier J.， Yu Y.， Chem. Soc. Rev.， 2020， 49（5）， 1569—1614
3	Zhai P.， Wei Y.， Xiao J.， Liu W.， Zuo J.， Gu X.， Yang W.， Cui S.， Li B.， Yang S.， Gong Y.， Adv. Energy Mater.， 2020， 10（8）， 1903339
4	Wang D.， Zhu C.， Fu Y.， Sun X.， Yang Y.， Adv. Energy Mater.， 2020， 10（39）， 2001318
5	Liu Z.， Yang S.， Sun B.， Chang X.， Zheng J.， Li X.， Angew. Chem. Inter. Ed.， 2018， 57（32）， 10187—10191
6	Chen S.， Shen L.， van Aken P. A.， Maier J.， Yu Y.， Adv. Mater.， 2017， 29（21）， 1605650
7	Li G. L.， Wang Y. T.， Guo H.， Liu Z. L.， Chen P. H.， Zheng X. Y.， Sun J. L.， Chen H.， Zheng J.， Li X. G.， J. Mater. Chem. A， 2020， 8（33）， 16920—16925
8	Wang H.， Tan H.， Luo X.， Wang H.， Ma T.， Lv M.， Song X.， Jin S.， Chang X.， Li X.， J. Mater. Chem. A， 2020， 8（48）， 25649—25662
9	Liu Z.， Wang X.， Wu Z.， Yang S.， Yang S.， Chen S.， Wu X.， Chang X.， Yang P.， Zheng J.， Li X.， Nano Res.， 2020， 13（11）， 3157—3164
10	Wei C.， Fei H.， Tian Y.， An Y.， Tao Y.， Li Y.， Feng J.， Chin. Chem. Lett.， 2020， 31（4）， 980—983
11	Li W.， Li M.， Shi J. A.， Zhong X.， Gu L.， Yu Y.， Nanoscale， 2018， 10（26）， 12430—12435
12	Chae S.， Choi S. H.， Kim N.， Sung J.， Cho J.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2020， 59（1）， 110—135
13	An H. F.， Jiang L.， Li F.， Wu P.， Zhu X. S.， Wei S. H.， Zhou Y. M.， Acta Phys. Chim. Sin.， 2020， 36（7）， 1905034（安惠芳，姜莉，李峰，吴平，朱晓舒，魏少华，周益明. 物理化学学报， 2020， 36（7）， 1905034）
14	Son Y.， Kim N.， Lee T.， Lee Y.， Ma J.， Chae S.， Sung J.， Cha H.， Yoo Y.， Cho J.， Adv. Mater.， 2020， 32（37）， 2003286
15	Tan H.， Chen D.， Rui X.， Yu Y.， Adv. Funct. Mater.， 2019， 29（14）， 1808745
16	Wang T.， Guo X.， Duan H.， Chen C.， Pang H.， Chin. Chem. Lett.，2020， 31（3）， 654—666
17	Hsieh P. Y.， Nguyen D. D.， Lee C. Y.， Tai N. H.， RSC Adv.， 2016， 6（80）， 76325—76335
18	Koo J.， Lee J.， Kim J.， Jang B.， Mater. Chem. Phys.， 2016， 180， 332—340
19	Dai F.， Yi R.， Gordin M. L.， Chen S.， Wang D.， RSC Adv.， 2012， 2（33）， 12710—12713
20	Liu Z.， Chang X.， Wang T.， Li W.， Ju H.， Zheng X.， Wu X.， Wang C.， Zheng J.， Li X.， ACS Nano， 2017， 11（6）， 6065—6073
21	Kim H.， Seo M.， Park M. H.， Cho J.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2010， 49（12）， 2146—2149
22	Lin L.， Xu X.， Chu C.， Majeed M. K.， Yang J.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2016， 55（45）， 14063—14066
23	Li Q.， Luo T. Y.， Zhou M.， Abroshan H.， Huang J.， Kim H. J.， Rosi N. L.， Shao Z.， Jin R.， ACS Nano， 2016， 10（9）， 8385—8393
24	Shirahata N.， Furumi S.， Sakka Y.， J. Cryst. Growth， 2009， 311（3）， 634—637
25	Baldwin R. K.， Pettigrew K. A.， Ratai E.， Augustine M. P.， Kauzlarich S. M.， Chem. Commun.， 2002，（17）， 1822—1823
26	Lv R.， Yang J.， Gao P.， NuLi Y.， Wang J.， J. Alloys Compd.， 2010， 490（1）， 84—87
27	Pettigrew K. A.， Liu Q.， Power P. P.， Kauzlarich S. M.， Chem. Mater.， 2003， 15（21）， 4005—4011
28	Yang C. S.， Bley R. A.， Kauzlarich S. M.， Lee H. W. H.， Delgado G. R.， J. Am. Chem. Soc.， 1999， 121（22）， 5191—5195
29	Sletnes M.， Maria J.， Grande T.， Lindgren M.， Einarsrud M. A.， Dalton Trans.， 2014， 43（5）， 2127—2133
30	Kawabe T.， Yoshikawa T.， Saegusa K.， Morita K.， High Temp. Mater. Processes， 2011， 30（4）， 379—385
31	Yasuda K.， Saegusa K.， Okabe T. H.， Metall. Mater. Trans. B， 2011， 42（1）， 37—49
32	Li G.， Wu X.， Guo H.， Guo Y.， Chen H.， Wu Y.， Zheng J.， Li X.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2020， 12（5）， 5951—5957
33	Zhang L.， Wang C.， Dou Y.， Cheng N.， Cui D.， Du Y.， Liu P.， Al⁃Mamun M.， Zhang S.， Zhao H.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2019， 58（26）， 8824—8828
34	Ng S. H.， Wang J.， Wexler D.， Konstantinov K.， Guo Z. P.， Liu H. K.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2006， 45（41）， 6896—6899
35	Liang J.， Fan Z.， Chen S.， Zheng S.， Wang Z.， J. Alloys Compd.， 2021， 860， 158433
36	Zhao L.， He Y. B.， Li C.， Jiang K.， Wang P.， Ma J.， Xia H.， Chen F.， He Y.， Chen Z.， You C.， Kang F.， J. Mater. Chem. A， 2019， 7（42）， 24356—24365
37	Lin N.， Han Y.， Wang L.， Zhou J.， Zhou J.， Zhu Y.， Qian Y.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2015， 54（12）， 3822—3825
38	Ye H.， Wang C. Y.， Zuo T. T.， Wang P. F.， Yin Y. X.， Zheng Z. J.， Wang P.， Cheng J.， Cao F. F.， Guo Y. G.， Nano Energy， 2018， 48， 369—376
39	Ma X.， Liu M.， Gan L.， Tripathi P. K.， Zhao Y.， Zhu D.， Xu Z.， Chen L.， Phy. Chem. Chem. Phys.， 2014， 16（9）， 4135—4142
40	Wu Y. J.， Chen Y. A.， Huang C. L.， Su J. T.， Hsieh C. T.， Lu S. Y.， Chem. Eng. J.， 2020， 400， 125958
41	Pal M.， Pal U.， Jiménez J. M. G. Y.， Pérez Rodríguez F.， Nanoscale Res. Lett.， 2012， 7（1）， 1
42	Wang R.， Zhou G.， Liu Y.， Pan S.， Zhang H.， Yu D.， Zhang Z.， Phys. Rev. B： Condens. Matter Mater. Phys.， 2000， 61（24）， 16827—16832
43	Wu H.， Cui Y.， Nano Today， 2012， 7（5）， 414—429
44	Zhai P.， Liu L.， Gu X.， Wang T.， Gong Y.， Adv. Energy Mater.， 2020， 10（34）， 2001257
45	Xu X.， Liu J.， Liu J.， Ouyang L.， Hu R.， Wang H.， Yang L.， Zhu M.， Adv. Funct. Mater.， 2018， 28（16）， 1707573
46	Chang X.， Liu Z.， Sun B.， Xie Z.， Zheng X.， Zheng J.， Li X.， Electrochim. Acta， 2018， 267， 1—7
47	Song X.， Wang H.， Jin S.， Lv M.， Zhang Y.， Kong X.， Xu H.， Ma T.， Luo X.， Tan H.， Hu D.， Deng C.， Chang X.， Xu J.， Nano Res.， 2020， 13（6）， 1659—1667
48	Liu Z.， Yang S.， Sun B.， Yang P.， Zheng J.， Li X.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2020， 59（5）， 1975—1979
49	Deng Q.， Chen F.， Liu S.， Bayaguud A.， Feng Y.， Zhang Z.， Fu Y.， Yu Y.， Zhu C.， Adv. Funct. Mater.， 2020， 30（10）， 1908665
50	Liu X. H.， Zhong L.， Huang S.， Mao S. X.， Zhu T.， Huang J. Y.， ACS Nano， 2012， 6（2）， 1522—1531
51	Casimir A.， Zhang H.， Ogoke O.， Amine J. C.， Lu J.， Wu G.， Nano Energy， 2016， 27， 359—376
52	Wang J.， Chang Z.， Ding B.， Li T.， Yang G.， Pang Z.， Nakato T.， Eguchi M.， Kang Y. M.， Na J.， Guan B. Y.， Yamauchi Y.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2020， 59（44）， 19570—19575
53	Yan R.， Oschatz M.， Wu F.， Carbon， 2020， 161， 162—168

[1]	JIA Yanggang, SHAO Xia, CHENG Jie, WANG Pengpeng, MAO Aiqin. Preparation and Lithium Storage Performance of Pseudocapacitance-controlled Perovskite High-entropy Oxide La（Co_0.2Cr_0.2Fe_0.2Mn_0.2Ni_0.2）O₃ Anode Materials [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(8): 20220157.
[2]	BAO Junquan, ZHENG Shibing, YUAN Xuming, SHI Jinqiang, SUN Tianjiang, LIANG Jing. An Organic Salt PTO（KPD）₂ with Enhanced Performance as a Cathode Material in Lithium-ion Batteries [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(9): 2911.
[3]	TIAN Runsai, LU Qian, ZHANG Hongbin, ZHANG Bo, FENG Yuanyuan, WEI Jinxiang, FENG Jijun. Design and Construction of N-Doping Carbon in⁃situ Coated Cu₂O/Co₃O₄@C Heterostructured Composite Material for Highly Efficient Lithium-ion Storage [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(8): 2592.
[4]	YI Conghua, SU Huajian, QIAN Yong, LI Qiong, YANG Dongjie. Preparation of Lignin Nanocarbon and Its Performance as a Negative Electrode for Lithium-ion Batteries [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(6): 1807.
[5]	MAO Eryang, WANG Li, SUN Yongming. Advances in Alloy-based High-capacity Li-containing Anodes for Lithium-ion Batteries [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(5): 1552.
[6]	WANG Yimeng, LIU Kai, WANG Baoguo. Coating Strategies of Ni-rich Layered Cathode in LIBs [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(5): 1514.
[7]	ZHOU Zhan, MA Lufang, TAN Chaoliang. Preparation of Layered （NH₄）₂V₆O₁₆·H₂O Nanosheets as an Anode for Li-ion Batteries [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(2): 662.
[8]	SUN Quanhu, LU Tiantian, HE Jianjiang, HUANG Changshui. Advances in the Study of Heteratomic Graphdiyne Electrode Materials [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(2): 366.
[9]	HAN Muyao, ZHAO Lina, SUN Jie. Advances in Silicon and Silicon-based Anode Materials [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(12): 3547.
[10]	YE Yihua, BA Deliang, LIU Shuailei, CHEN Yinglin, LI Yuanyuan, LIU Jinping. Recent Progress on High⁃rate Niobium-based Oxides Anode Materials [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(10): 3005.
[11]	GONG Shanshan, WU Tong, WANG Guange, HUANG Qing, SU Yuefeng, WU Feng. Screening of Deep Eutectic Solvent Based on Efficient Recovery of Spent Lithium⁃ion Battery Cathode Materials [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(10): 3151.
[12]	XIANG Houzheng, XIE Hongxiang, LI Wenchao, LIU Xiaolei, MAO Aiqin, YU Haiyun. Synthesis and Electrochemical Performance of Spinel-type High-entropy Oxides [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2020, 41(8): 1801.
[13]	LU Di,ZHENG Chunman,CHEN Yufang,LI Yujie,ZHANG Hongmei. Synthesis of Li-rich Layers/Spinel/Carbon Composite Cathode Materials with Phenol Formaldehyde Resin and Its Electrochemical Performance^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2020, 41(7): 1684.
[14]	CHEN Liangdan,ZOU Wei,WU Liang,XIA Fanjie,HU Zhiyi,LI Yu,SU Baolian. Nano-Al₂O₃ Coated Li-rich Cathode Material Li_{1. 2}Ni_0.13Co_0.13Mn_0.54O₂ for Highly Improved Lithium-ion Batteries ^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2020, 41(6): 1329.
[15]	RONG Hua, WANG Chungang, ZHOU Ming. Synthesis and Electrochemical Performance of FeS₂ Microspheres as an Anode for Li-ion Batteries ^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2020, 41(3): 447.