原子层沉积 ALD 用户分享：光伏硅切割废料制备高性能硅基负极

用户前沿成果分享

文章：Controllable Interface Engineering for the Preparation of High Rate Silicon Anode

本文作者提出利用光伏硅废料的二维结构特性，借助Forge Nano PROMETHEUS 流化床原子层沉积系统在硅废料表面连续、可控地沉积非晶 Li2O 和 TiO2 包覆层，以制备高倍率（20 A·g-1电流下放电比容量大于900 mAh·g-1）和高首效（90.9%）硅基负极材料，为光伏硅废料的增值利用提供了新思路。相关论文发表在 Advanced Functional Materials 上。昆明理工大学冶金与能源工程学院博士研究生王雷和陆继军博士为论文共同一作者，李绍元教授、马文会教授为论文共同通讯作者。

02文献解读

背景介绍

随着车辆续航里程需求的不断增长，对高能量密度 LIBs 的需求也变得越来越迫切。与石墨相比，硅（Si）以其高理论比容量（4200 mAh/g）被视为提高商业化 LIBs 能量密度的优选负极材料。然而，制备具有高初始库仑效率（ICE）和高倍率性能的硅基负极仍然面临着重大挑战。近年来人们开始关注光伏硅废料（PV-WSi）在制备硅基负极方面的应用。充分利用 PV-WSi 的二维结构特性，制备高倍率和高 ICE 硅基负极是一项具有挑战性但有意义的任务。

文章亮点

本文研究人员充分利用光伏硅废料（PV-WSi）的二维结构，并借助Forge Nano PROMETHEUS 流化床原子层沉积技术，同时实现了高 ICE 和高倍率性能的硅基负极。

Li+ 嵌入垂直于 PV-WSi 二维片状结构平面方向的特性有助于缩短扩散距离，缓解因 Si 的体积膨胀引起的粉碎问题。利用 Forge Nano 原子层沉积系统可控地沉积 Li2O（约 1 纳米）和 TiO2（约 4 纳米）涂层，以补充锂源的损失，进一步抑制硅的体积膨胀，并阻止硅与电解液之间的副反应。所制备的 Si@Li2O@TiO2 展示了超高的ICE（90.9%）和出色的倍率性能（在 20 A/g的速率下>900 mAh/g）。采用Si@Li2O@TiO2 负极和 LiFePO4 正极的全电池，在 0.5C 的速率下进行 300 个循环后，稳定容量为 100 mAh/g-1。这项工作为基于低成本光伏废料的高 ICE、高倍率硅基负极的发展提供了新思路。

Si@Li2O@TiO2 的合成示意图

a,b) ALD 包覆 Li2O 涂层后的 Si@Li2O的 TEM 图像 ；c,d) ALD 包覆 TiO2 涂层后的 Si@TiO2 的TEM 图像；e,f) ALD 包覆 Li2O、TiO2涂层后的 Si@Li2O@TiO2 的 TEM 图像；g-j) ALD 包覆 Li2O、TiO2涂层后的 Si@Li2O@TiO2 的 EDS 元素组成图。

a) PV-WSi、P-Si、Si@Li2O、Si@TiO2 和 Si@Li2O@TiO2 的电压-容量曲线以及 b) 它们的初始库仑效率(ICE)；c) 本研究中 Si@Li2O@TiO2 电极的 ICE 与之前报道的基于硅的负极材料的 ICE 进行比较；d) PV-WSi、P-Si、Si@Li2O、Si@TiO2 和 Si@Li2O@TiO2 的循环性能以及 e) 前十个循环的库仑效率，f) 不同电流下的倍率性能，以及 g) PV-WSi、P-Si、Si@Li2O、Si@TiO2 和 Si@Li2O@TiO2 的容量保持率；h) PV-WSi、P-Si 和 Si@Li2O@TiO2 的长期循环性能。

a) PV-WSi、P-Si、Si@Li2O@TiO2 电极在 2 A g-1 下循环 100 次后的 Li 1s、F 1s、C 1s、Si 2p XPS 光谱；b) PV-WSi、d) P-Si、f) Si@TiO2 h) Si@Li2O@TiO2 电极在循环前的 SEM 图像；c) PV-WSi、e) P-Si、g) Si@TiO2 i) Si@Li2O@TiO2 电极在 2 A g-1 下循环 100 次后的 SEM 图像。

结论

作者专注于 PV-WSi 的二维结构特性，借助 Forge Nano 流化床原子层沉积技术合成了具有高倍率和高初始库仑效率（ICE）的硅基负极。

计算结果表明，PV-WSi 具有快速的锂化/去锂化能力和在循环过程中更均匀的应力分布。通过连续的流化床原子层沉积技术构建了厚度约为 1 纳米的 Li2O 层和 4 纳米的 TiO2 层。作为锂离子电池负极，Si@Li2O@TiO2 展现出了超高的 ICE（90.9%）和卓越的倍率性能（在20 A/g-1的速率下>900 mAh/g-1）。与 LiFePO4 正极组装的全电池也显示出稳定的循环稳定性（在0.5C的速率下 300 个循环后约为100 mAh/g）。

作者的研究为发展高倍率性能、高 ICE 的硅基负极提供了一种策略，为光伏产业的可持续发展做出了贡献。