1. Low-Cost Tin Compounds as Seeds for the Growth of Silicon Nanowire–Graphite Composites Used in High-Performance Lithium-Ion Battery Anodes
- Author
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Caroline Keller, Saravanan Karuppiah, Martin Raaen, Jingxian Wang, Patrice Perrenot, Dmitry Aldakov, Peter Reiss, Cédric Haon, Pascale Chenevier, SYstèmes Moléculaires et nanoMatériaux pour l’Energie et la Santé (SYMMES), Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche Interdisciplinaire de Grenoble (IRIG), Direction de Recherche Fondamentale (CEA) (DRF (CEA)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Direction de Recherche Fondamentale (CEA) (DRF (CEA)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Grenoble Alpes (UGA), Département de l'électricité et de l'hydrogène dans les transports (DEHT), Laboratoire d'Innovation pour les Technologies des Energies Nouvelles et les nanomatériaux (LITEN), Institut National de L'Energie Solaire (INES), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Savoie Mont Blanc (USMB [Université de Savoie] [Université de Chambéry])-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Savoie Mont Blanc (USMB [Université de Savoie] [Université de Chambéry])-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de L'Energie Solaire (INES), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Savoie Mont Blanc (USMB [Université de Savoie] [Université de Chambéry])-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Savoie Mont Blanc (USMB [Université de Savoie] [Université de Chambéry])-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Solar fuels, hydrogen and catalysis (SolHyCat), Laboratoire de Chimie et Biologie des Métaux (LCBM - UMR 5249), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Grenoble Alpes (UGA)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche Interdisciplinaire de Grenoble (IRIG), Département des Technologies des NanoMatériaux (DTNM), Synthèse, Structure et Propriétés de Matériaux Fonctionnels (STEP ), European Project: 785219,H2020,GrapheneCore2(2018), and European Project: 883264,Sun-to-X
- Subjects
tinseeds ,highloading ,lithium-ion batteries ,Materials Chemistry ,Electrochemistry ,Energy Engineering and Power Technology ,Chemical Engineering (miscellaneous) ,[CHIM.MATE]Chemical Sciences/Material chemistry ,Electrical and Electronic Engineering ,silicon−graphite ,low-cost anode - Abstract
International audience; Nanostructured silicon−graphite composites range among the best options forachieving next-generation high-energy anodes forhighperformance lithium-ion batteries. Growing silicon nanowires ongraphite give access tocomposites with high capacity andstability, asthesilicon distributes homogeneously intheelectrode, and thedirect contact provides enhanced mechanical stability even insilicon-rich (>25 wt%)active materials. However, thecost-effective production ofsuch composites remains achallenge. Here, we introduce low-cost catalysts, tinsulfide andtinoxide, enabling silicon nanowire growth atalower temperature than with widely used gold catalysts, and investigate their impact onthecomposite nanostructure andcomposition. The small difference detected inthecomposition oftheproducts obtained with both catalysts required thedevelopment ofareliable method tomeasure thelow-level oxygen content anddistribution within thecomposite. Itrevealed thatoxygen from theSnO 2 growth seeds isincorporated intothesilicon nanowires, while nosulfur from theSnScatalyst could bedetected. We show thatSnSseeds result inananode material ofsuperior initial Coulombic efficiency of81%, while capacity, stability incycling, andratecapability arelessaffected bythechoice ofthecatalyst. Thecomposite anodes, optimized foracapacity of1000 mAh g−1 at C/5rate, deliver anareal capacity ofupto3.6mAh cm−2 and82% capacity retention over 200cycles. Their ratecapability of780 mAh g−1 at5Csurpasses thatofgold-seeded silicon−graphite composites. Theinsight obtained from thisstudy provides guidance forthereliable low-cost synthesis andquality control ofsilicon-containing active materials forLi-ion battery anodes.
- Published
- 2023