碳包覆和预锂化提高锂离子电池氧化亚硅负极材料的首次库仑效率

天津大学钟澄教授课题组：碳包覆和预锂化提高锂离子电池氧化亚硅负极材料的首次库仑效率

长续航里程的电动汽车和长续航时间的便携式电子设备需求的不断增长，加快了开发具有高能量密度锂离子电池（LIBs）的步伐。具有高理论比容量的氧化亚硅（SiO）负极材料是提高LIBs能量密度的关键因素之一。然而，在第一次锂化时，SiO与锂的不可逆电化学反应产生Li2O和硅酸锂，导致低的首次库仑效率（ICE）。负极材料的低ICE导致来自正极材料中锂离子的过度消耗，对于有限锂源的商业LIBs来说，这将降低其实际能量密度。

天津大学钟澄教授课题组通过碳包覆和预锂化制备了一种含有碳层和硅酸锂相的SiO复合材料（d-SiO/C/LSO）。这种复合材料的ICE达到了90.3%，并且具有1465mAhg−1的首次放电容量。

XRD结果表明，d-SiO/C/LSO材料中存在Li2SiO3相和Li2Si2O5相，其中Li2Si2O5相的峰强度（相对于Si峰，～28.6°）强于直接预锂化的SiO（d-SiO/LSO）材料，这表明Li2Si2O5相的含量或结晶度较高。这一观察结果可能与预沉积的碳层使LiH和SiO之间的反应变得温和而均匀有关。

图1（a）d-SiO/C/LSO的制备过程示意图。d-SiO/C，d-SiO/LSO和d-SiO/C/LSO的（b）XRD谱和（c）拉曼光谱。（d）d-SiO/C/LSO的29SiNMR谱。

XPS结果表明，d-SiO/C/LSO材料表面几乎不存在Li元素，这表明d-SiO/C/LSO材料中的大部分硅酸锂相存在于碳层内部。与仅进行碳包覆的SiO（d-SiO/C）材料相比，d-SiO/C/LSO材料的C1sXPS光谱中sp3峰消失，这表明预锂化过程减少了缺陷结构。

图2d-SiO/C，d-SiO/LSO和d-SiO/C/LSO的（a）XPS全谱和（b）O1sXPS谱。d-SiO/C/LSO的（c）Si2pXPS谱和（d）C1sXPS谱。（e）d-SiO/LSO，d-SiO/C/LSO的Li1sXPS谱。

SEM结果表明，与SiO原料相比，d-SiO/C/LSO材料的表面变得粗糙，并且含有少量碳纳米管。TEM图像显示d-SiO/C/LSO材料表面的碳层呈现出波浪状。

图3（a–c）d-SiO/C/LSO在不同放大倍数下的SEM图像。（d）d-SiO/C/LSO的TEM图像和（e,f）HR-TEM图像。

对d-SiO/C，d-SiO/LSO，d-SiO/C/LSO电极的电化学性能进行了测试。得益于硅酸锂相和碳层的协同作用，d-SiO/C/LSO材料的ICE达到了90.3%，与NMC811组成的全电池循环100圈后，容量保持率为86.5%。

图4d-SiO/C，d-SiO/LSO和d-SiO/C/LSO的（a）首次放电/充电曲线和（b）循环性能。（c）d-SiO/C/LSO的CV曲线。d-SiO/C，d-SiO/LSO和d-SiO/C/LSO的（d）倍率性能和（e）Nyquist曲线（插图：EIS拟合的等效电路）。（f）NMC811||d-SiO/C，NMC811||d-SiO/LSO和NMC811||d-SiO/C/LSO全电池的循环性能。

比较d-SiO/C，d-SiO/LSO，d-SiO/C/LSO三种电极循环前后的SEM结果表明，d-SiO/C/LSO材料在循环过程中具有更好结构稳定性。这进一步证明了d-SiO/C/LSO材料具有良好的循环性能。

图5（a）d-SiO/C，（e）d-SiO/LSO，（i）d-SiO/C/LSO电极循环前的表面SEM图像。（b）d-SiO/C，（f）d-SiO/LSO，（j）d-SiO/C/LSO电极循环前的截面SEM图像。（c）d-SiO/C，（g）d-SiO/LSO，（k）d-SiO/C/LSO电极循环100次后的表面SEM图像。（d）d-SiO/C，（h）d-SiO/LSO，（l）d-SiO/C/LSO电极循环100次后的截面SEM图像。

【研究总结】

通过对SiO进行碳包覆和预锂化处理，有效地提升了SiO材料的ICE。通过一系列的表征和电化学性能测试，分析了SiO材料ICE提升的原因。碳层的存在缓解了SiO的体积膨胀，减少了SiO与电解质的接触；碳层粗糙的表面有利于LiH与SiO发生更均匀的反应，形成有利的硅酸锂相。同时，硅酸锂相的存在削弱了不可逆反应。碳层和硅酸锂相的协同作用提高了SiO的电化学性能。

【文献信息】

,,,,,,,,,ImprovingtheinitialCoulombicefficiencyofSiOanodematerialsforlithiumionbatteriesbycarboncoatingandprelithiation,JournalofElectroanalyticalChemistry,2024,959,118141.

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