【摘 要】
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硅具有高达约4200 mAh g-1的储锂比容量,远高于商业化应用的石墨电极(372 m Ah g-1),因此受到极大的关注。然而,硅电极在锂化和脱锂的过程中体积膨胀巨大（约280%）,极大地限制了其进一步应用。本文提出了一种Si/SiCO/Si“三明治”结构多层薄膜体系,旨在利用具有碳网结构的Si CO层双面抑制硅体系的体积膨胀,以提高电极体系的容量保持率与倍率性能。实验结果表明,当Si和Si
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硅具有高达约4200 mAh g-1的储锂比容量,远高于商业化应用的石墨电极(372 m Ah g-1),因此受到极大的关注。然而,硅电极在锂化和脱锂的过程中体积膨胀巨大（约280%）,极大地限制了其进一步应用。本文提出了一种Si/SiCO/Si“三明治”结构多层薄膜体系,旨在利用具有碳网结构的Si CO层双面抑制硅体系的体积膨胀,以提高电极体系的容量保持率与倍率性能。实验结果表明,当Si和Si CO层厚度比为1:1时薄膜体系在100次循环后的容量保持率为91%,且可逆容量高达1946 m Ah g-1,明显高于目前已有硅基负极643.8 m Ah g-1至1271 m Ah g-1的范围;在高电流密度（3 C）下,该电极体系20次循环后可逆容量仍高达1675 m Ah g-1。而当碳靶溅射功率为40 W时,其容量保持率与第二周相比高达97%,体现了优异的循环性能。在实验基础上,通过第一性原理研究了厚度比以及自由碳尺寸对Si/Si CO/Si体系电化学性能的影响。计算结果表明,随着碳层厚度增加,嵌锂饱和时体系的体积膨胀率分别为205%、162%和140%,证实了Si CO层对于提升该电极体系的循环性能具有重要作用。通过形成能预测得到该电极的理论容量分别为3510 m Ah g-1、2900 m Ah g-1和2800 m Ah g-1,与实验首次放电容量3080 m Ah g-1、2600 m Ah g-1和2558 m Ah g-1相近。基于对原子结构的分析,提出形成较短的Li-Si键与Li-O键是不可逆容量的主要来源,据此预测得到体系的可逆容量为2146 m Ah g-1,与实验值2140 m Ah g-1相符。因此,这里提出的第一性原理分析方法能较为准确地预测该电极体系的关键性能,为进一步实验的材料设计提供了理论依据。本工作提出的实验和计算分析方法为硅基薄膜锂电池的设计及开发打下了重要的基础。
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