文档介绍：高性能锂电池阳极使用硅纳米线现代人们越来越热衷于研究大容量、长寿命的可在充电的锂电池,这些锂电池应用于便携式电子产品、电动车以及植入式医疗器械等领域。目前,硅元素因为它的相对低的放电电压和已知的最大理论充电电压(4200mA)而被广泛应用于锂电池阳极的制作材料。虽然硅的可再充电次数只比目前石墨材料的阳极多十几倍,比其他氧化物和各种氮化物材料的阳极多得多,但是硅阳极也只是有限应用而已,原因是硅在插入和抽出锂的过程中体积将膨胀4倍以上,导致硅效能大幅降低。这里,我们设计一种硅纳米线电池电极绕行的方法,使得它们能够适应大应变而不至大幅降低效能,还提供一种好的物理接触和传导,并且嵌入锂中的距离短。我们让硅阳极获得了理论上的充电容量并且最大限度的使放电容量维持在75%而让充放电循环中的损失最小。通过以往对散装硅薄膜和微米级别的硅材料的研究中发现,锂电池的电极因使用中性能减弱、寿命短的原因归结于电极材料失效和电极中活性物质与集电器的有效接触变少。利用微米单位的底座,微米或纳米复合材料的阳极,结果也是局限的改进。虽然用硅薄膜做成的阳极在多个周期内都有稳定的容量,但是没有足够多的用于电池。(如今使用单面纳米材料的理念和碳材料、Co3O4、SnO2、TiO2被用作阳极是已经被证明可行的),并且相比与散装材料性能有了提高。纳米线直接安置在金属集流板上,这种几何学放置方式具有几个优点,而这将会在速度上改善金属氧化物阴极材料活性。第一,本来那些在散装或微米级的材料中会发生的状况,在使用小直径的硅纳米线下可以在没有引发断裂的情况下允许更佳的适应大电流的改变,这与先前的研究一致,那个研究提出了在依赖材料的终端粒度下不会进一步的断裂。第二,每一个硅纳米线是电连接到金属集流板,以便所有的纳米线促成容积保持。第三,硅纳米线允许直接连通电子通路提高电荷传输效率。在基于粒子电极微观结构下、电子载流子移动必须通过小颗粒间接触区域。此外,每一个硅纳米线都被连接到导电电极,使对粘贴剂和导电添加剂的需要消除了额外质量。而且,我们的硅纳米线电池电极可以很容易地实现使用蒸汽–液体–固体(VLS)或蒸汽–固体(VS)直接在不锈钢集流器中生产硅纳米线。与Li–Si合金相关的充电电流的形成开始在一个潜在的330mV,然后相当大的低于100mV。终止后,电流峰值大约出现在370~620mV间。电流-电压特性是符合以往的实验硅阳极。在每一个扫描周期中,由于激活了更多的材料与锂反应使电流的峰值循环增加。在150~180的mV的小峰值中,可能由于Li和金催化剂的反应使得可以忽略电荷能力贡献。和其他形式的硅相比发现硅纳米线的电容量更高,电压分布被发现与以前硅的研究相符,在第一次充电中,扫描显示很长的稳定线,在水晶硅的反应期间与Li形成非晶态LixSi。随后的放电和充电周期有不同的非晶态硅的电压特征。值得注意的是,在第一次充电工作中,观察到的电容量为4277mAhg-1,本质上,在实验误差内,这个相当于理论能力。第一次放电容量可达3124mAh,表明一个库伦的效率可达73%,第二次电容量下降了17%,达到3541mAhg-1,尽管在目前二放电容量可达3193mAh,稍微增加了效率达到90%。在随后的周期中两个充放电能力仍然接近,且在多达10个周期后没有衰弱,这远远的超过了先前的报道结果。作为对照,目前我们所使用的锂电