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SiO微粒上垂直的石墨烯保护伞

SiO微粒上垂直的石墨烯保护伞

众所周知,硅基负极容量快速衰减的主要原因是充放电过程中颗粒粉碎而导致的活性材料失去电接触,还有由于体积变化大而在循环时颗粒之间的相互隔离。最近有研究提出石墨烯由于其优异的电子导电性和机械灵活性从而可以显着提高Si基材料的电化学性能。近期,北京大学等多个研究单位共同提出,在SiO微粒上垂直生长石墨烯,以此作为理想的稳定剂。这种垂直封装的石墨烯不仅可以增强SiO颗粒间的导电性,而且还能保证重复循环之后颗粒之间相互连接,表现出了极好的电化学性能。该成果于2017年发表在NANO LETTERS (IF=13.779)上。

SiO微粒上垂直的石墨烯保护伞

图1. (a)在电池循环期间,由于体积的膨胀和收缩,在硅基电极中形成电隔离。(b)垂直石墨烯封装可以在电池循环期间通过互连的垂直石墨烯纳米片提供SiO颗粒之间稳定的电连接。


 作者通过CVD法在商业SiO微粒上直接长出垂直的石墨烯纳米片,在锂化期间通过互连的垂直石墨烯封装提供稳定的导电网络,从而显着提高负载SiO负极的循环稳定性。垂直石墨烯封装的SiO(d-SiO@vG)负极极片负载面密度为1.5 mg/cm^2(活性物质)时,表现出1600 mAh/g的高容量,并且100次循环后的容量保持率高达93%。此外,作者将5 wt%的d-SiO@vG作为添加剂加入到石墨负极中,把传统石墨/NCA 18650电池的能量密度提高了约15%。

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图2. 锂离子电池中d-SiO@vG颗粒的原位TEM观察。(a,b)用于原位锂化的纳米级电化学电池的示意图和TEM图像。(c,d)锂化前(c)后(d)的d-SiO@vG颗粒。(e,f)c和d中标记区域的表面石墨烯涂层的形貌。

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图3.(a)第一、二和五周期的d-Si@vG电极的代表性CV曲线。扫描速率:0.05 mV/s。 (b)循环前后的d-SiO@vG电极的EIS曲线。(c)电流密度为160 mA/g的充放电曲线。 (d)d-Si和d-SiO@vG电极的比容量和循环效率,电流密度为320mA/g。

 

作者使用简便的CVD方法实现了商业SiO微粒上的垂直石墨烯封装,表现出了极好的电化学性能,主要是因为:

  • 在活性材料和周围导电材料之间构建稳定的电接触

  • 使锂离子易于流入活性物质

  • 缓冲硅基材料体积变化带来的影响,从而形成稳定的硅基负极。

作者通过引入5wt%的d-SiO@vG作为负极添加剂,提高了石墨/NCA 18650电池的能量密度。这不仅从材料配置工程的角度提出了解决锂离子电池容量衰退的新解决方案,而且也为硅基负极商业化迈出了重要的一步。

 

Liurong Shi, Chunlei Pang, Shulin Chen, Mingzhan Wang, Kexin Wang, Zhenjun Tan, Peng Gao, Jianguo Ren, Youyuan Huang, Hailin Peng, and Zhongfan Liu; Vertical Graphene Growth on SiO Microparticlesfor Stable Lithium Ion Battery Anodes; NANO LETTERS (2017); DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b00906


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