Chemical structure and electrochemical performance of Si-based anode materials for Li-ion batteries

With an increasing focus on climate change and electric mobility, Li–ion batteries (LIBs) have received tremendous attention in the recent years due to their competitive costs and ability to offer a good combination of high gravimetric and volumetric energy densities. In the quest for innovative anode materials that can upgrade the performance of LIBs, Si has been viewed as a promising candidate. However, the inherent challenges associated with Si based electrodes have hindered its widespread acceptance as a reliable anode material. Over the years, researchers have explored various novel strategies to overcome these limitations, amongst which Si in the form of nanostructured thin films has emerged as an attractive option. This work investigated the chemical structure and electrochemical performance of Si thin film–based anodes, fabricated via a facile and easily scalable approach. The Si thin films were directly produced on the Cu current collector using plasma enhanced chemical vapour deposition (PECVD) technique set at 40 W and 90 W operating powers of the plasma discharge, followed by a few simple processing steps prior to their assembly in half–cells. To compare the electrochemical performance of the in–house synthesized Si with the different types of commercially available Si, electrodes were fabricated through spray deposition technique from the powder form of the respective materials. Curve fitting analysis performed on the Si–O–Si vibrational band obtained from FTIR spectroscopy revealed that the chemical structure of the electrodes is affected by each of the processing steps and a Si suboxide phase is present in all the PECVD Si thin film electrodes produced at 40 W. Galvanostatic charge–discharge cycling tests showed that the electrochemical performance of the 40 W Si thin film electrodes is greatly improved with each of the processing steps. More importantly, the electrodes prepared with the in–house synthesized Si exhibited better cycle stability and longer cycle life compared to the commercial Si based electrodes, though further investigations are necessary to rule out any possible influence of the adopted processing route on their electrochemical performance. The highest electrochemical performance, estimated by considering the initial specific capacity, cycle life and initial coulombic efficiency was achieved by the 90 W Si thin film electrodes subjected to all the processing steps.

Con una crescente attenzione ai cambiamenti climatici e alla mobilità elettrica, le batterie agli ioni di litio (LIB) hanno ricevuto un'enorme attenzione negli ultimi anni a causa dei loro costi competitivi e della capacità di offrire una buona combinazione di densità di energia gravimetrica e volumetrica elevata. Nella ricerca di materiali anodici innovativi in grado di migliorare le prestazioni dei LIB, Si è stato visto come un candidato promettente. Tuttavia, le sfide intrinseche associate agli elettrodi a base di Si hanno ostacolato la sua diffusa accettazione come materiale anodico affidabile. Nel corso degli anni, i ricercatori hanno esplorato varie nuove strategie per superare queste limitazioni, tra cui il Si sotto forma di film sottili nanostrutturati è emerso come un'opzione interessante. Questo lavoro ha studiato la struttura chimica e le prestazioni elettrochimiche degli anodi basati su film sottili di Si, fabbricati tramite un approccio facile e facilmente scalabile. I film sottili di Si sono stati prodotti direttamente sul collettore di corrente Cu utilizzando la tecnica PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition) impostata a 40 W e 90 W di potenza operativa della scarica al plasma, seguita da alcune semplici fasi di lavorazione prima del loro assemblaggio a metà– cellule. Per confrontare le prestazioni elettrochimiche del Si sintetizzato internamente con i diversi tipi di Si disponibili in commercio, gli elettrodi sono stati fabbricati mediante tecnica di deposizione a spruzzo dalla forma in polvere dei rispettivi materiali. L'analisi di adattamento della curva eseguita della banda vibrazionale Si–O–Si ottenuta dalla spettroscopia FTIR ha rivelato che la struttura chimica degli elettrodi è influenzata da ciascuna delle fasi di lavorazione e una fase subossido di Si è presente in tutti gli elettrodi a film sottile PECVD Si prodotti a 40 W. I test sui cicli di carica-scarica galvanostatica hanno mostrato che le prestazioni elettrochimiche degli elettrodi a film sottile Si da 40 W sono notevolmente migliorate con ciascuna delle fasi di lavorazione. Ancora più importante, gli elettrodi preparati con il Si sintetizzato internamente hanno mostrato una migliore stabilità del ciclo e una durata del ciclo più lunga rispetto agli elettrodi commerciali a base di Si, sebbene siano necessarie ulteriori indagini per escludere qualsiasi possibile influenza del percorso di elaborazione adottato sulle loro prestazioni elettrochimiche. Le prestazioni elettrochimiche più elevate, stimate considerando la capacità specifica iniziale, il ciclo di vita e l'efficienza coulombiana iniziale, sono state ottenute dagli elettrodi a film sottile Si da 90 W sottoposti a tutte le fasi di lavorazione.