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核桃状多孔硅/石墨烯负极

核桃状多孔硅/石墨烯负极

近年来,锂离子电池负极材料方面对硅材料的研究报道层出不穷,硅材料也被认为是最有可能替代石墨负极的“潜力股”。然而,硅固有的体积膨胀大和电导率低等缺点严重的阻碍了其商业化。在改善硅导电性方面,使石墨烯和硅复合是一种很好的方法。仅为单层碳原子的石墨烯具有很高的导电和导热性,并且具有良好的化学和机械稳定性。石墨烯已经成为用于改善硅负极电化学性能的常用材料之一。山东大学慈立杰教授结合硅和石墨烯,通过原位还原和脱合金工艺成功制备出一种核桃状多孔硅/还原氧化石墨烯(P-Si/rGO)材料,具有极好的电化学性能。

核桃状多孔硅/石墨烯负极

图1. 核壳P-Si/rGO的合成方法示意图。

核桃状多孔硅/石墨烯负极

图2. (a)和(b)Al-Si合金颗粒的SEM图像,显示出其球形。(c)和(d)显示多孔P-Si的SEM图像。(e)和(f)显示P-Si/rGO核-壳结构的SEM图像。

注:P-Si:多孔硅

 

作者首先将合金粉末分散在氧化石墨烯悬浮液中,合金粉末会使氧化石墨烯还原并被其包裹,然后通过酸蚀的方法除去Al,整个过程简单易操作。这种材料设计具有多种优点,也使得P-Si/rGO复合材料表现出优异的电化学性能:当用作LIB中的负极材料时,在1A/g 的电流密度下,循环300周后仍有1258mAh/g的比容量。在1.0、2.0、3.0、4.0和5.0A/g 的电流密度下,比容量分别高达2100、1,600、1,500、1200和950mAh/g。

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图3. P-Si/rGO核-壳复合材料的电化学性能。(a)P-Si/rGO核-壳复合材料的CV曲线,扫描范围为0.01-1.2 V,扫描速率为0.5 mV/s。(b)1A/g下的充放电电压曲线。(c)P-Si / rGO,纯石墨烯和P-Si在1A/g电流密度下的寿命曲线。(d)P-Si/rGO在1.0、2.0、3.0、4.0和5.0A/g下的倍率性能。(e)P-Si/rGO核-壳复合材料和P-Si在1A/g电流密度下的长周期性能。

 

P-Si/rGO优异的电化学性能可归功于精心设计的结构:

  • 通过脱金属方法产生多孔硅结构可以在充放电期间为体积变化提供足够的空间

  • 原位还原过程可以显着提高复合材料的导电性

  • rGO壳可以提供高速电子转移的路径,因此复合材料可以提供非常优异的倍率性能

  • rGO外壳不仅可以缓冲体积变化,还可以减少电解液和硅之间的直接接触面,从而提高效率和优异的容量保持率。

 

Wei Zhai, Qing Ai, Lina Chen, Shiyuan Wei,Deping Li, Lin Zhang, Pengchao Si, Jinkui Feng, and Lijie Ci; Walnut-inspired microsized porous silicon/graphene core–shell composites for high-performance lithium-ion battery anodes; Nano Research(2017); DOI: 10.1007/s12274-017-1584-5


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