硅纳米线

High-performance lithium battery anodes using silicon nanowires
Reference


Chan C K, Peng H, Liu G, et al. High-performance lithium battery anodes using silicon nanowires[J]. Nature nanotechnology, 2008, 3(1): 31-35. Hochbaum A I, Chen R, Delgado R D, et al. Enhanced thermoelectric performance of rough silicon nanowires[J]. Nature, 2008, 451(7175): 163-167.
Volume Change


在循环过程中， 以硅薄膜和微米 大小的硅颗粒作 为锂电池的硅阳 极，其体积变化 约400%。 NWS直接生长在 集流器上，在循 环后不粉碎或破 碎成更小的颗粒。
Current–Potential Characteristics
如图，显示了硅纳米 线电极循环伏安特性。 与Li–Si合金的形成有 关的充电电流开始于 330 mV的电位。放电 时，电流峰出现在 370mV和620mV。在 150 - 180 mV的小峰 可能是由于锂与金催 化剂的反应。
如图a，未反应的Si NWs平均直径89 nm(s.d.45 nm)。如图b充电后平均直径增加到 141 nm (s.d.64 nm)。尽管有较大的体积变化，硅纳米线 还保持完整并没有打破成较小的颗粒，这表明最 小容量衰减的原因发生在循环过程中。
Dimensionally Helical
Si NWs也可能由于其长度的变 化而改变其体积的大小。为验 证，将25 nm的Ni被蒸发到生 长的硅纳米线附近。Ni覆盖在 纳米线表面部分(图3C)。锂化 后(图3d)，Si NWs发生形变， 裹在Ni上形成三维螺旋状结构。 这似乎是由于硅纳米线的长度 膨胀，而Ni不能自由膨胀，从 而弯曲成螺旋状。虽然锂化后 的NW长度增加，NWS仍然没 有断裂。
Conductivity
有效的电子输运是好的电池循环的必要条件。对 于一个初始的Si NW，电流-电压曲线是线性的， 相当于一个25 KΩ电阻(图3F) 。一个周期后，新 纳米线成为无定形的，但仍表现出电流-电压的 线性曲线，阻值相当于8MΩ的电阻 (图3g)。上述 特性确保有效的充电和放点的电子传输。
Nanowires are grown directly on the metallic current collector substrate



First, the small NW diameter allows for better accommodation of the large volume changes without the initiation of fracture; Second, each Si NW is electrically connected to the metallic current collector so that all the nanowires contribute to the capacity; Third, the Si NWs have direct 1D electronic pathways allowing for efficient charge transport.
Cyclability of Si NWs
如图，显示在C/20, C/10, C/5, C/2和1C下 的充放电曲线。即使在 1C，容量仍保持在大 于2100 mAhg−1，这比 石墨大五倍。在速度更 快充电循环下的Si NWs 性能也非常好。使用 C/5速率，容量稳定在 3500mAhg−1
Average Diameter
Summary



在金属衬底上直接生长纳米线的优势； 在循环过程中硅阳极的体积变化情况； 硅纳米线电极循环过程中的伏安特性曲线； 硅纳米线电极在不同循环下的库仑效率； 充放电过程中硅纳米线直径和长度的变化； 硅纳米线的电子传输特性。
Abstract


There is great interest in developing rechargeable lithium batteries with higher energy capacity and longer cycle life for applications in portable electronic devices, electric vehicles and implantable medical devices. Here, they show that silicon nanowire battery electrodes circumvent these issues as they can accommodate large strain without pulverization, provide good electronic contact and conduction, and display short lithium insertion distay
如图，显示了第一和第二 周期在C/20的电压波形。 第一周期电荷量有4277 mAhg−1，这基本上相当 于理论值。首次放电量为 3124 mAhg−1，库仑效率 为73%。第二周期电荷量 减少17%至3541 mAhg−1， 第二排放量略有增加到 3193 mAhg−1，库仑效率 为90%