Insights on the Prelithiation of Diatom SiO₂ anodes for Lithium-ion Batteries

Nanostrukturer av SiO_2, hentet fra skallene til diatomé-mikroalger fremstår som en kandidat for høy energitetthet og bærekraftige anoder for neste generasjons litium-ion-batterier (LIBs), og oppnår kapasiteter på rundt 1000 mAhg-1, som er betydelig høyere enn de 372 mAhg-1 som leveres av konvensjonelle grafitt-negative elektroder. Imidlertid lider SiO_2-anoder av lav initial kolumbisk effektivitet (ICE) og krever tidkrevende elektrokjemiske protokoller for å favorisere den innledende litieringsreaksjonen. Selv om dette kan forbedres ved delvis reduksjon av SiO_2 for å danne SiO_x, forbruker den første litieringen fortsatt en stor del av Li-beholdningen, og derfor blir implementering av prelitiationstrategier en viktig nødvendighet. I dette arbeidet ble direkte-kontakt prelitiation utforsket for å forbedre den kolumbiske effektiviteten og spesifikke kapasiteten til nanostrukturert SiO_2 og SiO_x anoder hentet fra to distinkte diatom-SiO_2 kilder: krystallinsk SiO_2 fra diatoméjord (DE) og amorf SiO_2 fra industrielt dyrkede diatomer av en enkelt art (SPA). Anodene ble utsatt for prelitiatiering i 1 time og 24 timer samt prelitiatiering ved romtemperatur og 60°C, og deretter karakterisert ved elektrokjemisk impedansspektroskopi (EIS), galvanostatisk sykling, fokusert ionestråle og skanningelektronmikroskopi (FIB-SEM) og røntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) for å undersøke komposisjonelle, morfologiske og elektrokjemiske endringer som skjer på overflate- og bulknivå, og relatere dem til anodenes elektrokjemiske ytelse. Prelitiatiering av SiO_2 elektroder resulterte i høyere kolumbisk effektivitet og spesifikke kapasiteter med økt prelitiationstid og temperatur, og forbedret ICE fra 42,4 % til 96,5 % for DE-SiO_2 og fra 36,7 % til 97 % for SPA-SiO_2 ved å utsette anodene for prelitiatiering i 24 timer ved 60°C. Dette ble komplimentert av en økning i den initielle spesifikke kapasiteten fra 360 mAhg-1 til 660 mAhg-1 for DE-SiO_2 og fra 260 mAhg-1 til 525 mAhg-1 for SPA-SiO_2. Prelitiation av SiO_x elektroder økte ICE til mer enn 97 % for både DE-SiO_x og SPA-SiO_x. En kapasitetsbevaring på 68 % etter 100 sykler ble oppnådd for DE-SiO_x. Resultatene viser at direkte-kontakt prelitiatiering er en effektiv metode for å forbedre kolumbisk effektivitet og spesifikk kapasitet til SiO_2 negative elektroder og for å øke syklusstabiliteten til SiO_x negative elektroder.