Zeitschrift für Grundlagen erneuerbarer Energien und Anwendungen
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Abstrakt

Bioenergie 2020: Vorlithiierte Si-Nanopartikel-Kohlenstoffnanoröhren-Verbundanoden für hohe Leistung von Lithium-Ionen-Batterien

Jim P. Zheng

Freistehende, flexible Verbundpapieranoden aus Si-Nanopartikeln und mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhren (SiNPs-MWNTs) für Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) werden durch eine Kombination aus Ultraschallbehandlung und Druckfiltration hergestellt. Es werden keine leitfähigen Zusatzstoffe, Bindemittel oder metallischen Stromabnehmer verwendet. Das SiNPs-MWNTs-Verbundelektrodenmaterial erreicht im ersten Zyklus spezifische Entlade- und Ladekapazitäten von 2298 bzw. 1492 mAh/g. Um die Irreversibilität des Primärzyklus zu bewältigen, wurde stabilisiertes Li-Metallpulver (SLMP) verwendet, um die Verbundanoden vorzulithiieren. Dadurch wird der irreversible Kapazitätsverlust im Primärzyklus von 806 auf 28 mAh/g reduziert und die Coulomb-Effizienz im ersten Zyklus von 65 % auf 98 % erhöht. Der Zusammenhang zwischen unterschiedlichen SLMP-Beladungen und der Zellleistung wurde hergestellt, um den Vorlithiierungsprozess von SLMP zu verstehen und die Entwicklung von Si-basierten Zellen zu optimieren. Eine Zelle mit einer vorlithiierten Anode ist in der Lage, eine Ladekapazität von über 800 mAh/g zu liefern, ohne den anfänglichen Entladevorgang zu durchlaufen, was die Erforschung neuartiger Kathodenmaterialien ermöglicht.

Es wurde auch anerkannt, dass die SiNPs-MWNTs-Elektrode mit einem Si/MWNT-Verhältnis von 3:2 die optimale Balance zwischen der hohen Kapazität von SiNPs und der damit verbundenen hohen elektrischen Leitfähigkeit und strukturellen Stabilisierungsqualität von MWNTs aufweist, was zu einer hohen Entladerate, einer hohen spezifischen Kapazität und einer Zyklenlebensdauer führt, die die herkömmliche, aus Schlickerguss hergestellte SiNPs-Elektrode übertrifft. Die reversible Kapazität beträgt 1866 mAh/g (basierend auf dem gesamten Verbundgewicht, ein Äquivalent siehe unten) bei einer Stromdichte von 100 mA/g. Nach 100 Zyklen behält die Elektrode eine Kapazität von 1170 mAh/g bei 100 mA/g und 750 mAh/g bei 500 mA/g.