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Erschienen in: Journal of Materials Science: Materials in Electronics 3/2019

17.12.2018

Self-supported electrodes composed of silicon nanocrystals in 3D hierarchical carbon network for reversible sodium storage

Erschienen in: Journal of Materials Science: Materials in Electronics | Ausgabe 3/2019

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Abstract

Silicon as a high capacity alloying anode material in lithium-ion batteries (LIBs) has recently been reported to have a promising specific capacity suitable for sodium-ion batteries (SIBs). However, the low gravimetric capacity and large volume expansion in traditional electrodes arising from the slurry-coating process has restrained the development. Here, we report the fabrication of a self-supported composite composed of silicon nanocrystals in a 3D hierarchical carbon network as an anode for reversible sodium storage by a three-step process involving electrostatically assisted hetero-assembly, vacuum filtration, and thermal treatment. The silicon nanocrystals decorated with a carbon coating are dispersed in interconnected carbon nanotubes with close contact. The structure provides abundant interfacial active sites for capacitive Na storage. Furthermore, the conductive 3D network of carbon nanotubes and carbon coating provide the high-speed pathways for charge transport and buffer to accommodate the volume change during Na+ insertion/extraction in silicon nanocrystals. As a binder-free anode in SIBs, the self-supported electrode delivers outstanding electrochemical performance such as stable cyclability with a capacity of 80% at a current density of 0.2 A g−1 after 1000 cycles and high-rate capability with a capacity of 105 mAh g−1 at a current density of 2 A g−1. The self-supported Si-based electrode has great potential in high-performance SIBs.

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Literatur
2.
3.
Zurück zum Zitat C. Zhang, H.P. Sang, S.E. O’Brien, A. Seral-Ascaso, M. Liang, D. Hanlon, D. Krishnan, A. Crossley, N. Mcevoy, J.N. Coleman, Nano Energy 39, 151–161 (2017)CrossRef C. Zhang, H.P. Sang, S.E. O’Brien, A. Seral-Ascaso, M. Liang, D. Hanlon, D. Krishnan, A. Crossley, N. Mcevoy, J.N. Coleman, Nano Energy 39, 151–161 (2017)CrossRef
4.
Zurück zum Zitat Q. Xu, J.Y. Li, J.K. Sun, Y.X. Yin, L.J. Wan, Y.G. Guo, Adv. Energy Mater. 7, 1601481 (2017)CrossRef Q. Xu, J.Y. Li, J.K. Sun, Y.X. Yin, L.J. Wan, Y.G. Guo, Adv. Energy Mater. 7, 1601481 (2017)CrossRef
5.
Zurück zum Zitat M.V. Shelke, H. Gullapalli, K. Kalaga, M.T.F. Rodrigues, R.R. Devarapalli, R. Vajtai, P.M. Ajayan, Adv. Mater. Interfaces 4, 1601043 (2017)CrossRef M.V. Shelke, H. Gullapalli, K. Kalaga, M.T.F. Rodrigues, R.R. Devarapalli, R. Vajtai, P.M. Ajayan, Adv. Mater. Interfaces 4, 1601043 (2017)CrossRef
6.
7.
Zurück zum Zitat X. Rui, W. Sun, C. Wu, Y. Yu, Q. Yan, Adv. Mater. 27, 6670–6676 (2015)CrossRef X. Rui, W. Sun, C. Wu, Y. Yu, Q. Yan, Adv. Mater. 27, 6670–6676 (2015)CrossRef
8.
Zurück zum Zitat A.A. Kashale, K.A. Ghule, K.P. Gattu, V.H. Ingole, S.S. Dhanayat, R. Sharma, Y.-C. Ling, J.-Y. Chang, M.M. Vadiyar, A.V. Ghule, J. Mater. Sci. 28, 1472–1479 (2016) A.A. Kashale, K.A. Ghule, K.P. Gattu, V.H. Ingole, S.S. Dhanayat, R. Sharma, Y.-C. Ling, J.-Y. Chang, M.M. Vadiyar, A.V. Ghule, J. Mater. Sci. 28, 1472–1479 (2016)
9.
Zurück zum Zitat A.R. Radwan, Y. Liu, V. Nguyen, W. Chen, J. Mater. Sci. 29, 7032–7039 (2018) A.R. Radwan, Y. Liu, V. Nguyen, W. Chen, J. Mater. Sci. 29, 7032–7039 (2018)
10.
Zurück zum Zitat X. Li, M. Gu, S. Hu, R. Kennard, P. Yan, X. Chen, C. Wang, M.J. Sailor, J.-G. Zhang, J. Liu, Nat. Commun. 5, 4105 (2014)CrossRef X. Li, M. Gu, S. Hu, R. Kennard, P. Yan, X. Chen, C. Wang, M.J. Sailor, J.-G. Zhang, J. Liu, Nat. Commun. 5, 4105 (2014)CrossRef
11.
Zurück zum Zitat X. Xiao, W. Zhou, Y. Kim, I. Ryu, M. Gu, C. Wang, G. Liu, Z. Liu, H. Gao, Adv. Funct. Mater. 25, 1426–1433 (2015)CrossRef X. Xiao, W. Zhou, Y. Kim, I. Ryu, M. Gu, C. Wang, G. Liu, Z. Liu, H. Gao, Adv. Funct. Mater. 25, 1426–1433 (2015)CrossRef
12.
Zurück zum Zitat H. Kim, B. Han, J. Choo, J. Cho, Angew. Chem. Int. Ed. 120, 10305–10308 (2008)CrossRef H. Kim, B. Han, J. Choo, J. Cho, Angew. Chem. Int. Ed. 120, 10305–10308 (2008)CrossRef
13.
Zurück zum Zitat H. Chen, X. Hou, L. Qu, H. Qin, Q. Ru, Y. Huang, S. Hu, K.-H. Lam. J. Mater. Sci. 28, 250–258 (2016) H. Chen, X. Hou, L. Qu, H. Qin, Q. Ru, Y. Huang, S. Hu, K.-H. Lam. J. Mater. Sci. 28, 250–258 (2016)
14.
Zurück zum Zitat W. Zhai, Q. Ai, L. Chen, S. Wei, D. Li, L. Zhang, P. Si, J. Feng, L. Ci, Nano Res. 10, 4274–4283 (2017)CrossRef W. Zhai, Q. Ai, L. Chen, S. Wei, D. Li, L. Zhang, P. Si, J. Feng, L. Ci, Nano Res. 10, 4274–4283 (2017)CrossRef
15.
Zurück zum Zitat L.-F. Cui, Y. Yang, C.-M. Hsu, Y. Cui, Nano Lett. 9, 3370–3374 (2009)CrossRef L.-F. Cui, Y. Yang, C.-M. Hsu, Y. Cui, Nano Lett. 9, 3370–3374 (2009)CrossRef
16.
Zurück zum Zitat A. Marzouk, P.B. Balbuena, F. El-Mellouhi, Electrochim. Acta 207, 301–307 (2016)CrossRef A. Marzouk, P.B. Balbuena, F. El-Mellouhi, Electrochim. Acta 207, 301–307 (2016)CrossRef
17.
Zurück zum Zitat Y. Xu, E. Swaans, S. Basak, H.W. Zandbergen, D.M. Borsa, F.M. Mulder, Adv. Energy Mater. 6, 1501436 (2016)CrossRef Y. Xu, E. Swaans, S. Basak, H.W. Zandbergen, D.M. Borsa, F.M. Mulder, Adv. Energy Mater. 6, 1501436 (2016)CrossRef
18.
19.
Zurück zum Zitat Y. Han, N. Lin, T. Xu, T. Li, J. Tian, Y. Zhu, Y. Qian, Nanoscale 10, 3153–3158 (2018)CrossRef Y. Han, N. Lin, T. Xu, T. Li, J. Tian, Y. Zhu, Y. Qian, Nanoscale 10, 3153–3158 (2018)CrossRef
20.
Zurück zum Zitat L. Zhang, X. Hu, C. Chen, H. Guo, X. Liu, G. Xu, H. Zhong, S. Cheng, P. Wu, J. Meng, Adv. Mater. 29, 1604708 (2017)CrossRef L. Zhang, X. Hu, C. Chen, H. Guo, X. Liu, G. Xu, H. Zhong, S. Cheng, P. Wu, J. Meng, Adv. Mater. 29, 1604708 (2017)CrossRef
21.
Zurück zum Zitat Y. Liu, X. He, D. Hanlon, A. Harvey, J.N. Coleman, Y. Li, ACS Nano 10, 8821–8828 (2016)CrossRef Y. Liu, X. He, D. Hanlon, A. Harvey, J.N. Coleman, Y. Li, ACS Nano 10, 8821–8828 (2016)CrossRef
22.
Zurück zum Zitat Z. Lu, N. Liu, H.-W. Lee, J. Zhao, W. Li, Y. Li, Y. Cui, ACS Nano 9, 2540–2547 (2015)CrossRef Z. Lu, N. Liu, H.-W. Lee, J. Zhao, W. Li, Y. Li, Y. Cui, ACS Nano 9, 2540–2547 (2015)CrossRef
23.
Zurück zum Zitat S. Chen, L. Shen, P.A. van Aken, J. Maier, Y. Yu, Adv. Mater. 29, 1605650 (2017)CrossRef S. Chen, L. Shen, P.A. van Aken, J. Maier, Y. Yu, Adv. Mater. 29, 1605650 (2017)CrossRef
24.
Zurück zum Zitat Y. Fu, Q. Yang, J. Mater. Sci. 29, 15042–15051 (2018) Y. Fu, Q. Yang, J. Mater. Sci. 29, 15042–15051 (2018)
25.
Zurück zum Zitat G. Xu, L. Yang, X. Wei, J. Ding, J. Zhong, P.K. Chu, Adv. Funct. Mater. 26, 3349–3358 (2016)CrossRef G. Xu, L. Yang, X. Wei, J. Ding, J. Zhong, P.K. Chu, Adv. Funct. Mater. 26, 3349–3358 (2016)CrossRef
26.
Zurück zum Zitat C. Chen, H. Xu, T. Zhou, Z. Guo, L. Chen, M. Yan, L. Mai, P. Hu, S. Cheng, Y. Huang, Adv. Energy Mater. 6, 1600322 (2016)CrossRef C. Chen, H. Xu, T. Zhou, Z. Guo, L. Chen, M. Yan, L. Mai, P. Hu, S. Cheng, Y. Huang, Adv. Energy Mater. 6, 1600322 (2016)CrossRef
27.
Zurück zum Zitat G. Xu, Y. Tian, X. Wei, L. Yang, P.K. Chu, J. Power Sources. 337, 180–188 (2017)CrossRef G. Xu, Y. Tian, X. Wei, L. Yang, P.K. Chu, J. Power Sources. 337, 180–188 (2017)CrossRef
28.
Zurück zum Zitat K.-T. Kim, C.-Y. Yu, C.S. Yoon, S.-J. Kim, Y.-K. Sun, S.-T. Myung, Nano Energy 12, 725–734 (2015)CrossRef K.-T. Kim, C.-Y. Yu, C.S. Yoon, S.-J. Kim, Y.-K. Sun, S.-T. Myung, Nano Energy 12, 725–734 (2015)CrossRef
29.
Zurück zum Zitat H. Yang, G. Xu, X. Wei, J. Cao, L. Yang, P.K. Chu, J. Power Sources 395, 295–304 (2018)CrossRef H. Yang, G. Xu, X. Wei, J. Cao, L. Yang, P.K. Chu, J. Power Sources 395, 295–304 (2018)CrossRef
30.
Zurück zum Zitat D. Chen, L. Peng, Y. Yuan, Y. Zhu, Z. Fang, C. Yan, G. Chen, R. Shahbazian-Yassar, J. Lu, K. Amine, Nano Lett 17, 3907–3913 (2017)CrossRef D. Chen, L. Peng, Y. Yuan, Y. Zhu, Z. Fang, C. Yan, G. Chen, R. Shahbazian-Yassar, J. Lu, K. Amine, Nano Lett 17, 3907–3913 (2017)CrossRef
31.
Zurück zum Zitat C. Zhao, C. Yu, M. Zhang, H. Huang, S. Li, X. Han, Z. Liu, J. Yang, W. Xiao, J. Liang, Adv. Energy Mater. 7, 1602880 (2017)CrossRef C. Zhao, C. Yu, M. Zhang, H. Huang, S. Li, X. Han, Z. Liu, J. Yang, W. Xiao, J. Liang, Adv. Energy Mater. 7, 1602880 (2017)CrossRef
32.
Zurück zum Zitat P. Li, J.Y. Jeong, B. Jin, K. Zhang, J.H. Park, Adv. Energy Mater. 8, 1703300 (2018)CrossRef P. Li, J.Y. Jeong, B. Jin, K. Zhang, J.H. Park, Adv. Energy Mater. 8, 1703300 (2018)CrossRef
33.
Zurück zum Zitat Q. Wang, W. Zhang, C. Guo, Y. Liu, C. Wang, Z. Guo, Adv. Func. Mater. 27, 1703390 (2017)CrossRef Q. Wang, W. Zhang, C. Guo, Y. Liu, C. Wang, Z. Guo, Adv. Func. Mater. 27, 1703390 (2017)CrossRef
34.
Zurück zum Zitat X. Xiong, C. Yang, G. Wang, Y. Lin, X. Ou, J.-H. Wang, B. Zhao, M. Liu, Z. Lin, K. Huang, Energy Environ. Sci. 10, 1757–1763 (2017)CrossRef X. Xiong, C. Yang, G. Wang, Y. Lin, X. Ou, J.-H. Wang, B. Zhao, M. Liu, Z. Lin, K. Huang, Energy Environ. Sci. 10, 1757–1763 (2017)CrossRef
36.
Zurück zum Zitat Y. Dong, Z.-S. Wu, S. Zheng, X. Wang, J. Qin, S. Wang, X. Shi, X. Bao, ACS Nano 11, 4792–4800 (2017)CrossRef Y. Dong, Z.-S. Wu, S. Zheng, X. Wang, J. Qin, S. Wang, X. Shi, X. Bao, ACS Nano 11, 4792–4800 (2017)CrossRef
37.
Zurück zum Zitat T. Yu, Z. Zhao, L. Liu, S. Zhang, H. Xu, G. Yang, J. Am. Chem. Soc. 140, 5962–5968 (2018)CrossRef T. Yu, Z. Zhao, L. Liu, S. Zhang, H. Xu, G. Yang, J. Am. Chem. Soc. 140, 5962–5968 (2018)CrossRef
38.
Zurück zum Zitat G. Xu, L. Yang, Z. Li, X. Wei, P.K. Chu, J. Mater. Chem. A 5, 2749–2758 (2017)CrossRef G. Xu, L. Yang, Z. Li, X. Wei, P.K. Chu, J. Mater. Chem. A 5, 2749–2758 (2017)CrossRef
39.
Zurück zum Zitat G. Xu, L. Yang, X. Wei, J. Ding, J. Zhong, P. Chu, J. Power Sources 327, 580–590 (2016)CrossRef G. Xu, L. Yang, X. Wei, J. Ding, J. Zhong, P. Chu, J. Power Sources 327, 580–590 (2016)CrossRef
40.
Zurück zum Zitat D. Xie, X. Xia, Y. Zhong, Y. Wang, D. Wang, X. Wang, Tu, J. Adv. Energy Mater. 7, 1601804 (2017)CrossRef D. Xie, X. Xia, Y. Zhong, Y. Wang, D. Wang, X. Wang, Tu, J. Adv. Energy Mater. 7, 1601804 (2017)CrossRef
41.
Zurück zum Zitat G. Jia, H. Wang, D. Chao, H. He, N.H. Tiep, Y. Zhang, Z. Zhang, H.J. Fan, Nanotechnology 28, 42LT01 (2017)CrossRef G. Jia, H. Wang, D. Chao, H. He, N.H. Tiep, Y. Zhang, Z. Zhang, H.J. Fan, Nanotechnology 28, 42LT01 (2017)CrossRef
42.
Zurück zum Zitat H.J. Peng, T.Z. Hou, Q. Zhang, J.Q. Huang, X.B. Cheng, M.Q. Guo, Z. Yuan, L.Y. He, F. Wei, Adv. Mater. Interfaces 1, 1400227 (2014)CrossRef H.J. Peng, T.Z. Hou, Q. Zhang, J.Q. Huang, X.B. Cheng, M.Q. Guo, Z. Yuan, L.Y. He, F. Wei, Adv. Mater. Interfaces 1, 1400227 (2014)CrossRef
43.
Zurück zum Zitat L. Yang, Y.E. Zhu, J. Sheng, F. Li, B. Tang, Y. Zhang, Z. Zhou, Small 13, 1702588 (2017)CrossRef L. Yang, Y.E. Zhu, J. Sheng, F. Li, B. Tang, Y. Zhang, Z. Zhou, Small 13, 1702588 (2017)CrossRef
45.
Zurück zum Zitat M. Halim, G. Liu, R.E.A. Ardhi, C. Hudaya, O. Wijaya, S.-H. Lee, A.-Y. Kim, J.K. Lee, ACS Appl. Mater. Interfaces 9, 20566–20576 (2017)CrossRef M. Halim, G. Liu, R.E.A. Ardhi, C. Hudaya, O. Wijaya, S.-H. Lee, A.-Y. Kim, J.K. Lee, ACS Appl. Mater. Interfaces 9, 20566–20576 (2017)CrossRef
46.
Zurück zum Zitat X. Wei, C. Tang, Q. An, M. Yan, X. Wang, P. Hu, X. Cai, L. Mai, Nano Res. 10, 3202–3211 (2017)CrossRef X. Wei, C. Tang, Q. An, M. Yan, X. Wang, P. Hu, X. Cai, L. Mai, Nano Res. 10, 3202–3211 (2017)CrossRef
47.
Zurück zum Zitat V. Augustyn, P. Simon, B. Dunn, Energy Environ. Sci. 7, 1597–1614 (2014)CrossRef V. Augustyn, P. Simon, B. Dunn, Energy Environ. Sci. 7, 1597–1614 (2014)CrossRef
48.
Zurück zum Zitat D. Chao, C. Zhu, P. Yang, X. Xia, J. Liu, J. Wang, X. Fan, S.V. Savilov, J. Lin, H.J. Fan, Z.X. Shen, Nat Commun. 7, 12122 (2016)CrossRef D. Chao, C. Zhu, P. Yang, X. Xia, J. Liu, J. Wang, X. Fan, S.V. Savilov, J. Lin, H.J. Fan, Z.X. Shen, Nat Commun. 7, 12122 (2016)CrossRef
49.
Zurück zum Zitat K. Tang, L. Fu, R.J. White, L. Yu, M.M. Titirici, M. Antonietti, J. Maier, Adv. Energy Mater. 2, 873–877 (2012)CrossRef K. Tang, L. Fu, R.J. White, L. Yu, M.M. Titirici, M. Antonietti, J. Maier, Adv. Energy Mater. 2, 873–877 (2012)CrossRef
50.
Zurück zum Zitat S. Wang, L. Xia, L. Yu, L. Zhang, H. Wang, X.W. Lou, Adv. Energy Mater. 6, 1502217 (2016)CrossRef S. Wang, L. Xia, L. Yu, L. Zhang, H. Wang, X.W. Lou, Adv. Energy Mater. 6, 1502217 (2016)CrossRef
Metadaten
Titel
Self-supported electrodes composed of silicon nanocrystals in 3D hierarchical carbon network for reversible sodium storage
Publikationsdatum
17.12.2018
Erschienen in
Journal of Materials Science: Materials in Electronics / Ausgabe 3/2019
Print ISSN: 0957-4522
Elektronische ISSN: 1573-482X
DOI
https://doi.org/10.1007/s10854-018-0549-0

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