Анодные материалы на основе наноструктурированных тонких плёнок кремния, полученных лазерным электродиспергированием, для литий-ионных аккумуляторов

Евщик Е.Ю., Шиховцева А.В., Явсин Д.А., Гуревич С.А., Добровольский Ю.А. ИПХФ РАН, г. Черноголовка ФТИ им. Иоффе РАН, г. Санкт-Петербург

Кремний является одним из многообещающих материалов для изготовления анодов ЛИА, поскольку его теоретическая ёмкость 10 раз превышает ёмкости используемого сейчас графита. Основным препятствием использования Si является деградация материала при внедрении-экстракции лития, вызванная, в первую очередь, увеличением активного вещества в объёме. Важными задачами для создания стабильных электродов на основе кремния являются определение влияния структуры, состава и размера частиц на процессы разрушения Si при взаимодействии с Li.

Тонкие наноструктурированные плёнки, состоящие из аморфных наночастиц кремния, были получены методом лазерного электродиспергирования [1,2]. В качестве мишени использовался монокристаллический Si. Полученная плёнка представляла собой пористую структуру, состоящую из плотно упакованных аморфных наночастиц с характерным размером ~1-1.5 нм. В работе были исследованы плёнки толщиной 50, 100, 150 и 200 нм. Влияние толщины плёнки на циклические характеристики материала были изучены методом гальваностатического циклирования системы Li|Li⁺|Si в 1 М электролитах на основе LiDFOB и LiTFSI, растворённых в смеси ЭК/ДЭК (1:1 v/v).

Начальная разрядная ёмкость электродов, исследованных в обоих типах электролитов, практически не отличается и зависит только от толщины плёнки. Исключение составляет образец толщиной 100 нм, разрядная ёмкость первого цикла которого составляет 1700 мАч/г в LiDFOB и 1000 мАч/г в LiTFSI. Обратимая ёмкость электродов на 50 цикле представлена в таблице 1.

Таблица 1. Разрядная ёмкость тонкоплёночных кремниевых электродов 

С увеличением толщины разрядная ёмкость образцов, исследованных в электролите на основе LiTFSI, снижается. В обоих случаях минимальная ёмкость зафиксирована для плёнок толщиной 200 нм. В случае электролита на основе LiDFOB максимальные значения ёмкости и стабильность достигнуты для образцов 100 нм. На 100 цикле заряда-разряда обратимая ёмкость такой плёнки составила 650 мАч/г.

Литература

1. Kozhevin V.M. J.Vac.Sci.Techn. B. 2000. V. 18. P. 1402.
2. Lokteva E.S. Pure Appl. Chem. 2012. V. 84. P. 495.

Исследования выполнены при поддержке Минобрнауки России, соглашение от 26.08.2014 №14.604.21.0125 (уникальный идентификатор: RFMEFI60414X0125).