Sintesis Ionotermal Terukur Silikon Poros untuk Anoda Baterai Litium-Ion Berkinerja Tinggi
Abstrak
Silikon menawarkan kapasitas teoritis luar biasa sebesar 4200 mAh g⁻¹, menjadikannya kandidat utama untuk anoda generasi mendatang dalam baterai litium‑ion (LIB). Di sini kami menyajikan rute ionotermal yang mudah, hasil tinggi, dan terukur yang mengubah magnesium silisida komersial (Mg₂Si) menjadi silikon nanoporos (pSi) dengan bereaksi dengan cairan ionik asam pada 100 °C di bawah tekanan atmosfer. pSi yang dihasilkan sangat kristal, menunjukkan luas permukaan BET 450 m² g⁻¹, dan mengandung mikropori seragam sebesar 1,27 nm. Saat dilapisi lapisan karbon dotasi nitrogen (pSi@NC) dan dirancang menjadi anoda LIB, komposit menunjukkan efisiensi Coulomb awal yang mengesankan sebesar 72,9% dan memberikan 1000 mAh g⁻¹ pada 1 A g⁻¹ setelah 100 siklus. Pentingnya, sintesis tidak memerlukan roda suhu tinggi atau tabung tekanan, sehingga cocok untuk produksi skala besar.
Pendahuluan
Ketergantungan global pada bahan bakar fosil telah memicu permintaan akan perangkat penyimpanan energi yang berkelanjutan dan berdensitas energi tinggi. Baterai litium‑ion tetap merupakan teknologi paling menjanjikan, namun kelajuan komersial anoda silikon terhalang oleh dua tantangan besar: (1) ekspansi volum hingga 300% selama litiasi yang mengakibatkan hancur partikel, dan (2) konduktivitas elektronik rendah (~1,6 × 10⁻³ S m⁻¹). Berbagai strategi—nanostrukturasi, komposit poros, dan lapisan karbon—telah diusulkan untuk mengatasi masalah ini, namun banyak rute sintesis kompleks, hasil rendah, atau tidak cocok untuk skala‑up. Di sini, kami memperkenalkan metode ionotermal yang sederhana pada tekanan atmosfer yang menghasilkan pSi berkualitas tinggi dalam satu langkah dan menunjukkan kinerja elektrokimia yang unggul ketika dipadukan dengan matriks karbon dotasi nitrogen.
Metode
Bahan
1‑Butil‑3‑metilimidazolium klorida ([Bmim]Cl) dan klorida aluminium (AlCl₃) diperoleh dari Shanghai Cheng Jie Chemical Co. Ltd. Mg₂Si komersial dan bubuk silikon 1–5 µm dibeli dari Alfa Aesar. Komponen elektrolit grade baterai (EC, DEC, FEC, LiPF₆) diperoleh dari Shenzhen Kejingstar Technology Ltd. Semua reagen digunakan sebagaimana adanya.
Sintesis Nanopartikel Silikon Poros (pSi)
Dalam kotak sarung di bawah argon, 1,5 g [Bmim]Cl dan 4,5 g AlCl₃ (rasio molar 1:4) dicampur dalam tabung Schlenk. 500 mg Mg₂Si ditambahkan, dan campuran diaduk pada 100 °C selama 10 jam. Setelah pendingin, endapan dikumpulkan dan dicuci berurutan dengan 1 M HCl, air deionisasi, dan etanol. Produk yang dikeringkan (≈150 mg, hasil 82%) siap untuk karakterisasi.
Sintesis Karbon Dotasi Nitrogen Lapis pada Silikon Poros (pSi@NC)
0,1 g pSi disperdi dalam 250 mL air deionisasi yang mengandung 5 mg sodium dodeksil benzen sulfonat (SDBS) dan di-sonikasi selama 30 min. Suspensi diaduk selama 1 jam pada suhu ruang, kemudian 200 µL monomor pirrol, 0,34 g persulfat amonium, dan 1,25 mL 1 M HCl ditambahkan. Campuran disimpan dalam kolam es selama 24 jam, menghasilkan bubuk pSi@PPy hitam. Ini difilter, dicuci, dikering, dan dipiroli pada 700 °C (5 °C min⁻¹) di bawah Ar selama 3 jam untuk menghasilkan pSi@NC. Analisis termogravimetri menentukan konten karbon ~20 wt%.
Pengukuran Elektrokimia
Sel setengah (CR2032) dirancang dalam kotak sarung terisi argon. Elektroda kerja terdiri dari 70 wt% pSi@NC, 20 wt% Super P, dan 10 wt% alginat natrium, dicast pada foil Cu dan dikering pada 80 °C. Elektrolit adalah 1 M LiPF₆ dalam campuran EC/DEC 1:1. Uji chardischarge dilakukan pada penguji baterai Neware (0,01–1,5 V), dan voltametri siklis (CV) dilakukan dengan workstation CHI650d (0,2 mV s⁻¹).
Karakterisasi
PXRD (Bruker D8), SEM (Hitachi S‑4800), TEM (JEM‑2100), analisis luas permukaan BET (Micromeritics ASAP 2020), spektroskopi Raman (Horiba LabRAM Aramis), XPS (PHI 5000 VersaProbe), dan TGA (NETZSCH STA449F3) digunakan untuk menilai kristalin, morfologi, porositas, dan komposisi.
Hasil dan Pembahasan
Reaksi ionotermal melalui proses keseluruhan berikut: Mg₂Si + 4 AlCl₃ + 4 [Bmim]Cl → Si + 2 MgCl₂ + 4 [Bmim]AlCl₄. PXRD mengonfirmasi fase Si kristal (JCPDS No. 27‑1402) dengan ukuran butir rata‑rata ~40 nm. Spektra Raman menunjukkan siiran Si‑Si khas pada 518 cm⁻¹ dan bahu oksida permukaan di dekat 303 cm⁻¹. Adsorpsi N₂ menunjukkan isoterm tipe‑IV dengan histeresis gabungan H2(b)/H3, menghasilkan luas permukaan BET 450 m² g⁻¹ dan distribusi mikropori sempit yang terpusat pada 1,27 nm. Citra SEM/TEM menunjukkan partikel saling terhubung 20–100 nm dengan jaringan poros seragam.
Lapisi dengan karbon dotasi nitrogen mengubah material menjadi komposit (pSi@NC). PXRD menunjukkan puncak karbon amorfa (~23°), sementara rasio intensitas D/G Raman (I_D/I_G ≈ 1,07) menunjukkan grafitasi rendah. XPS mengungkapkan ikatan N–C (285,85 eV) dan spesies nitrogen (piridin, pirrolik, grafitik) pada 397,85, 398,72, dan 400,57 eV, mengonfirmasi dotasi yang berhasil.
Pengujian elektrokimia menampilkan plat pertama discharge stabil pada ~0,1 V (formasi LiₓSi) dan efisiensi Coulomb 72,9%. Setelah 100 siklus pada 1 A g⁻¹, kapasitas reversibel tetap 1000 mAh g⁻¹, dengan retensi kapasitas 79% setelah 110 siklus pada 0,1 A g⁻¹. Kemampuan laju unggul, memberikan 2360, 1690, 1570, 1470, 1320, dan 850 mAh g⁻¹ pada 0,1, 0,3, 0,5, 1.0, 2.0, dan 5.0 A g⁻¹, masing-masing, dan memulihkan 2160 mAh g⁻¹ saat arus direset ke 0,1 A g⁻¹. Sebaliknya, elektroda Si@NC komersial mengalami penurunan kapasitas yang parah, yang menekankan keuntungan arsitektur poros dan cangkang karbon dotasi nitrogen.
Kesimpulan
Kami telah mengembangkan protokol ionotermal sederhana pada tekanan atmosfer yang mengubah Mg₂Si menjadi silikon nanoporos dengan hasil 82%. Saat dipadukan dengan lapisan karbon dotasi nitrogen, komposit pSi@NC yang dihasilkan menunjukkan kapasitas reversibel tinggi, siklus hidup yang baik, dan efisiensi Coulomb awal yang kuat. Kondisi reaksi yang ringan dan throughput tinggi menjadikan pendekatan ini cocok untuk produksi skala besar anoda berbasis silikon.
