Influencing Factors and Promotion Strategies of the First-cycle Coulombic Efficiency of Silicon Suboxide Anodes in Lithium-ion Batteries

doi:10.7503/cjcu20210177

Abstract

Abstract:

The popularity of electric vehicles and various portable electronic devices has led to higher demands on battery energy density. Silicon suboxide（SiO_x， 0<x≤2） shows high specific capacity and low Li-ion insertion potential， and the volume expansion effect is significantly lower than that of pure silicon anode， and therefore is considered to be one of the ideal alternatives to traditional graphite anode materials. However， the solid electrolyte interphase（SEI） and a large number of irreversible products are formed during the first lithiation/delithiation cycle， resulting in low Coulombic efficiency， which seriously hinders the practical application of SiO_x anodes. On the basis of SiO_x structure， this review systematically explained the lithium storage mechanism of SiO_x anode and the reason for the low first-cycle efficiency. Further， strategies of improving the first Coulombic efficiency of SiO_x anode in recent years is summarized in detail. Finally， the future direction of improving the first-cycle efficiency of SiO_x anode is also forecasted.

Key words: Lithium ion battery, Silicon suboxide, Initial Coulombic efficiency, Structural design, Prelithiation

CLC Number:

O646

TrendMD:

LI Huiyang, ZHU Siying, LI Sha, ZHANG Qiaobao, ZHAO Jinbao, ZHANG Li. Influencing Factors and Promotion Strategies of the First-cycle Coulombic Efficiency of Silicon Suboxide Anodes in Lithium-ion Batteries[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(8): 2342.

Figures/Tables 14

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2020	2DSiO_x/0D?MoO₂	55.7	1051.6	0.2	1 mol/L LiPF₆ in EC/EMC+2%FEC	PAA	［69］
2019	Al@C/SiO₂	80.47	1385	0.1	1 mol/L LiPF₆ in EC/DMC	PVDF	［70］
2019	SiO_x@Fe₃O₄@FLG	84.90	833.4	0.5	1 mol/L LiPF₆ in EC/DEC/DMC+10%FEC	PVDF	［71］
2019	C?SiO?MgSiO₃?Si	78.3	1608	0.15	1 mol/L LiPF₆ in EC/DEC	PVDF	［72］
2020	P@C/SiO	79.2	1151.8	0.1	1 mol/L LiPF₆ in EC/DEC/EMC	PVDF	［73］

Method	Material	Introduction	ICE of full cell（%）	Matched cathode	Ref.
Prelithiation additive	SiO	SLMP was directly sprayed on the surface of the electrode	89.77	LiNi_1/3Mn_1/3Co_1/3O₂	［77］
	SiO	SLMP was dispersed in xylene solvent and then coated on the surface of the electrode	88.12	LiNi_1/3Mn_1/3Co_1/3O₂	［80］
	SiO_x	SiO_x and molten lithium are thermally alloyed to form Li_xSi/Li₂O composite for prelithiation	94	LiFePO4	［82］
Self?discharge prelithiation	SiO_x	Inserting a resistance buffer layer（RBL） between SiO_x anode and Li foil toregulate the rate and degree of prelithiation	87	NCM622	［84］
Electrochemical prelithiation	c?SiO_x	Assembling a temporary battery and introduce a rheostat in the external circuit to control the prelithiation rate	85.34	LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂	［85］
Chemical prelithiation	SiO_x	Employing molecularly engineered BP derivatives to adjust the reduction potential of Li?arene（LAC） below 0.2 V drives active Li accommodation in SiO_x anodes	86	NCM523	［88］
	SiO_x/C	Controllable LiBp complex solution prelithiation and high?temperature calcination process were combined to pregenerate Li_xSiO_y in the interior of SiO_x/C	86	NCM811	［89］

Method	Material	Introduction	ICE of full cell（%）	Matched cathode	Ref.
Prelithiation additive	SiO	SLMP was directly sprayed on the surface of the electrode	89.77	LiNi_1/3Mn_1/3Co_1/3O₂	［77］
	SiO	SLMP was dispersed in xylene solvent and then coated on the surface of the electrode	88.12	LiNi_1/3Mn_1/3Co_1/3O₂	［80］
	SiO_x	SiO_x and molten lithium are thermally alloyed to form Li_xSi/Li₂O composite for prelithiation	94	LiFePO4	［82］
Self?discharge prelithiation	SiO_x	Inserting a resistance buffer layer（RBL） between SiO_x anode and Li foil toregulate the rate and degree of prelithiation	87	NCM622	［84］
Electrochemical prelithiation	c?SiO_x	Assembling a temporary battery and introduce a rheostat in the external circuit to control the prelithiation rate	85.34	LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂	［85］
Chemical prelithiation	SiO_x	Employing molecularly engineered BP derivatives to adjust the reduction potential of Li?arene（LAC） below 0.2 V drives active Li accommodation in SiO_x anodes	86	NCM523	［88］
	SiO_x/C	Controllable LiBp complex solution prelithiation and high?temperature calcination process were combined to pregenerate Li_xSiO_y in the interior of SiO_x/C	86	NCM811	［89］

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