Advances in Silicon and Silicon-based Anode Materials

doi:10.7503/cjcu20210639

Abstract

Abstract:

Silicon（Si） has high theoretical capacity， low voltage platform and abundant natural resources， which has the potential to become the next generation high energy density lithium ion batteries anode material. However， Si has low inherent conductivity and great volume change in the cycle process， which is different from graphite and should not be directly used as an anode material. Therefore， many modification strategies have been developed to improve or adapt to Si based anode materials from dimension structure， composites， binders and electrolytes， so as to meet the requirements of commercialization. In this paper， the research pro-gress of Si based anode materials in recent years was reviewed， the design elements of different aspects were summarized， and the performance of representative materials was introduced. Finally， the problems faced by Si based anode materials were briefly analyzed， and the research prospect of Si based anode materials as lithium ion batteries was forecasted.

Key words: Lithium ion battery, Silicon, Anode material, Structure design, Binder, Electrolyte

CLC Number:

O646

TrendMD:

HAN Muyao, ZHAO Lina, SUN Jie. Advances in Silicon and Silicon-based Anode Materials[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(12): 3547.

Figures/Tables 8

Fig.1 Challenges and modification strategies of Si anode

Fig.2 Morphology characterization and electrochemical properties of Si materials with different dimensions(A—C) Zero-dimensional materials[21]. Copyright 2012, American Chemical Society. (D—F) one-dimensional materials[35]. Copyright 2013, American Chemical Society. (G—I) two-dimensional materials[46]. Copyright 2016, American Chemical Society. (J—L) three-dimensional materials[49]. Copyright 2017, Wiley‐VCH.

Fig.3 HRTEM image of a single Si0.25Ge0.75 nanocolumn(A), EDS line?scan across the nanocolumn(B) and rate capacity of Ge, Si0.25Ge0.75, Si0.5Ge0.5, Si0.75Ge0.25 and Si(C)[65]Copyright 2013, American Chemical Society.

Fig.4 Schematic illustration of Ag nanoparticles forming an interconnected network providing electron pathways from the current collector to the whole surface area of the 3D porous silicon particles(A), voltage profiles of the two electrodes cycled between 0.005?V and 1.0?V(vs. Li+/Li) at a cycling rate of 0.2C: 3D macroporous Si(B) and Ag?coated 3D macroporous Si(C)[75]Copyright 2010, Wiley‐VCH.

Fig.5 Schematic diagram of manufacturing process of Si@a?TiO2(A)[76], pSiMPs coating design and structural evolution in the cycle process(B) and time?lapse images of the lithium process of nC?pSiMPs(C)[78](A) Copyright 2017, Wiley‐VCH. (B,C) Copyright 2015, American Chemical Society.

Fig.6 Prelithiation improving initial Coulomb efficiency(A) Graphical illustration of prelithiation process of c?SiOx electrode [30]. Copyright 2016, American Chemical Society. (B) Schematic diagram of the artificial SEI coating formed by reduction of 1?fluorodecane on the surface of LixSi NPs in cyclohexane [80].Copyright 2015, American Chemical Society.

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