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石墨烯/Si/SiOx納米復合材料的制備及儲鋰性能研究
作者：李悅1,2,3, 王博1,2, 吳楠1,3
單位：1. 唐山學院新材料與化學工程學院；2. 燕山大學；3. 唐山市水環(huán)境生態(tài)修復技術(shù)重點實驗室
引用： 李悅, 王博, 吳楠. 石墨烯/Si/SiOx納米復合材料的制備及儲鋰性能研究[J]. 儲能科學與技術(shù), 2023, 12(9): 2752-2759.
DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0206
摘 要 本文以三乙氧基硅烷為原料，在氧化石墨烯懸浮液中采用原位溶膠-凝膠反應和隨后的H2/Ar氣氛下熱還原反應制備了石墨烯/Si/SiOx(G//Si/SiOx)納米復合材料。G//Si/SiOx納米復合材料中，粒徑約20 nm的Si納米粒子分布到非晶SiOx基體中組成粒徑為100～200 nm的Si/SiOx納米球隨機分布在二維石墨烯片表面和層間。G//Si/SiOx電極獨特的納米結(jié)構(gòu)能夠提供快速的電子傳遞通道和有效緩解循環(huán)過程中Si納米粒子體積變化，促使電極具有良好的電化學儲鋰性能。作為鋰離子電池負極材料，G//Si/SiOx電極在電流密度200 mA/g下呈現(xiàn)出722.45 mAh/g的高初始可逆容量，300個循環(huán)后，可逆容量高達853.76 mAh/g，以及優(yōu)異的倍率性能。
關鍵詞 鋰離子電池；石墨烯；硅；負極；溶膠-凝膠反應
石墨是目前商用鋰離子電池的活性負極材料，但其理論容量僅為372 mAh/g，且在大電流密度下循環(huán)穩(wěn)定性較差，嚴重制約電池能量密度的提升。因此急需研發(fā)高比容量、高功率密度的石墨新型替代負極材料。硅基負極材料以高的理論容量(Si: 3580 mAh/g，SiO: 2670 mAh/g，and SiO2: 1680 mAh/g)，相對低的氧化還原電位(<0.5 V vs. Li+/Li)、自然界豐富的儲量而受到廣泛關注。但硅基負極材料在充/放電過程中大的體積變化以及其電子電導率低等缺點，限制其商業(yè)化應用，為了解決該問題，利用納米化硅基負極材料，減少Li+的擴散路徑和緩解硅基負極材料在充/放電過程中大的體積變化；以及與碳質(zhì)材料復合，以提高硅基電極材料的電導率成為硅基負極材料的重要發(fā)展方向。
本工作以三乙氧基硅烷為原料，在氧化石墨烯懸浮液體系下采用溶膠-凝膠法制備氫硅倍半氧烷(HSiO1.5，HSQ)/氧化石墨烯復合材料，隨后在H2/Ar氣氛下還熱原制備了石墨烯/Si/SiOx納米復合物。在石墨烯/Si/SiOx納米復合材料中，粒徑約20 nm的Si納米粒子分布到非晶SiOx基體中形成的Si/SiOx納米球隨機分布在二維石墨烯片表面，既有效緩解了活性材料在脫嵌鋰過程中的體積膨脹，減少石墨烯的聚集和堆疊，同時還解決了硅基負極材料電子電導率低的問題，改善了電化學儲鋰性能。利用XRD、SEM、XPS和Raman等物相表征手段對制備納米復合材料的組成、微觀形貌和結(jié)構(gòu)、表面元素價態(tài)等進行測試分析，運用電化學方法評價納米復合材料的電化學儲鋰性能研究，并深入探討復合電極材料的制備機理。
1 實驗
1.1 實驗材料
本實驗中所用試劑均為分析純化學試劑，雙氧水、濃硫酸、高鐵酸鉀、硝酸鈉、無水乙醇、濃鹽酸、三乙氧基硅烷購自上海阿拉丁生化科技有限公司。
1.2 樣品制備
氧化石墨烯(GO)的制備：利用改進的Hummers法制備的100 mg氧化石墨粉末，加入到100 mL去離子水中，進行超聲處理1 h，超聲過程中使得氧化石墨剝離，最終獲得棕褐色的氧化石墨烯懸浮液。
石墨烯/Si/SiOx納米復合材料的制備：首先將2 mL質(zhì)量分數(shù)為37%的HCl溶液加入到制備的60 mL氧化石墨烯懸浮液中，攪拌30 min后，緩慢加入5 mL三乙氧基硅烷。將所得溶膠用去離子水反復過濾、洗滌，收集過濾出的固體，在80 ℃的真空烘箱中干燥，去除殘余水分，制得HSQ/GO復合材料，最后將制備的HSQ/GO復合材料在不同溫度下還原性氣氛(H2/Ar)中熱還原4 h，制得石墨烯/Si/SiOx納米復合材料。當熱還原溫度分別為900 ℃、1050 ℃時，所制備的石墨烯/Si/SiOx納米復合材料分別標記為G/Si/SiOx-1、G/Si/SiOx-2。
Si/SiOx納米復合材料的制備：為了對比，不含石墨烯的Si/SiOx納米復合材料的具體制備工藝過程與溶膠-凝膠結(jié)合熱還原制備石墨烯/Si/SiOx納米復合材料的制備工藝過程相同，只是反應中氧化石墨烯的懸浮液被純?nèi)ルx子水替代。制備的HSQ在1050 ℃溫度下H2/Ar氣氛中熱還原4 h，制得的復合材料標記為Si/SiOx。
1.3 物相分析與測試
采用日本理學D/max-2200PC型X-射線衍射儀對樣品進行物相分析。使用日本電子JSM-7500F型掃描電子顯微鏡對樣品的微觀形貌與結(jié)構(gòu)分析。采用LabRAM HR800拉曼光譜儀對樣品進行表征，激光波長為532 nm。采用Thermo Scientific ESCALAB Ⅺ+電子能譜儀對樣品進行所含元素的全譜高分辨譜圖和元素價態(tài)分析。
1.4 電化學性能測試
將制備的活性材料、乙炔黑和聚偏氟乙烯(PVDF)按照8∶1∶1的質(zhì)量配比制成負載量約為2.5 mg/cm2的負極極片，以制備的Si/SiOx基復合材料極片作為工作電極，金屬鋰片為對電極和輔助電極，電解液為將碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯(EC/DMC)按體積比為1∶1制備1 mol/L的LiPF6溶液，Celgard 2400微孔聚丙烯膜作為鋰離子電池隔膜?？凼诫姵氐慕M裝在水、氧含量均小于0.1 ppm(1 ppm=10-6)的高純氬氣氛保護下的手套箱中進行。采用武漢藍電多通道電池性能測試系統(tǒng)對所制備扣式電池的循環(huán)和倍率性能進行表征，充/放電電壓范圍為0.005～3.0 V (vs. Li+/Li)。采用上海晨華CHI760E電化學工作站對所制備的扣式電池進行循環(huán)伏安和電化學交流阻抗的測試。充/放電電壓范圍為0.005～3.0 V (vs. Li+/Li)，掃描速率為0.1 mV/s；頻率范圍為100 mHz～100 kHz，電壓振幅為5 mV。
2 結(jié)果與討論
2.1 石墨烯/Si/SiOx納米復合材料制備機理
（1）首先以三乙氧基硅烷為原料，采用溶膠-凝膠法制備氫硅倍半氧烷(hydrogen silsesquioxane，HSQ)。三乙氧基硅烷中的Si—OC2H5鍵通過水解縮聚反應轉(zhuǎn)化為聚硅氧烷，具體反應如下：
第1步水解反應：
第2步脫水、脫醇縮合反應(Si—O—Si鍵開始形成)：
第3步聚合反應(形成長鏈并向三維空間擴展)：
（2）HSQ/氧化石墨烯在H2/Ar還原氣氛下的熱還原為石墨烯/Si/SiOx納米復合材料機理：
溫度低于400 ℃時，HSQ籠結(jié)構(gòu)發(fā)生交聯(lián)和重排；溫度在500～900 ℃時，Si—H鍵發(fā)生熱裂解，導致Si原子通過氧化物擴散并隨后成核形成非晶態(tài)納米疇；當溫度上升至900 ℃時，晶態(tài)Si結(jié)晶生長，但1100 ℃的長時間加熱卻不會導致進一步生長，表明氧化物基質(zhì)通過動力學擴散限制了這一過程。同時，GO在這一過程中被還原成了石墨烯，實現(xiàn)了石墨烯與Si/SiOx的復合。
2.2 石墨烯/Si/SiOx納米復合材料的物相分析
圖1(a)是HSQ和Si/SiOx的XRD圖譜。從圖中可以看出，HSQ只在21～25°處呈現(xiàn)出一饅頭峰，表明HSQ是一種非晶態(tài)的化合物。對HSQ進行1050 ℃的熱還原后，可以明顯看到在2θ=28.44°、47.30°、56.12°等位置出現(xiàn)了衍射峰，并分別對應著晶體硅的(111)、(200)、(311)晶面，與JCPDS NO.27-1402硅標準卡片相匹配，說明在用H2/Ar混合氣體對其進行熱處理過程中，非晶態(tài)的硅氧化合物中的硅一部分被還原成了晶體硅。如圖1(b)所示，Si/SiOx-1和G/Si/SiOx-2與Si/SiOx的XRD圖譜進行對比，Si/SiOx-2納米復合材料呈現(xiàn)出明顯的晶體硅特征峰。此外，從圖中可以看到，進行900 ℃的熱還原處理后Si/SiOx-1納米復合材料，未呈現(xiàn)出明顯的晶體硅特征峰，表明晶體硅的還原量較少，原因可能歸因于低溫下對HSQ的低還原能力和石墨烯片層對納米Si/SiOx包覆。
圖1 (a) HSQ和Si/SiOx的XRD圖譜和晶體硅的標準XRD圖譜；(b) Si/SiOx、G/Si/SiOx-1和G/Si/SiOx-2納米復合材料的XRD圖譜
利用SEM對樣品的微觀形貌和結(jié)構(gòu)進行表征。圖2(a)，(b)為不同放大倍率下Si/SiOx的SEM圖。從圖中可以明顯觀察到納米Si/SiOx為近似球形顆粒，直徑約為200 nm，大多數(shù)Si/SiOx納米球燒結(jié)在一起，呈現(xiàn)啞鈴狀。在高放大倍率下，發(fā)現(xiàn)單個Si/SiOx納米球體中，有粒徑為20～30 nm的硅晶體小球嵌入SiOx中，表明熱還原過程中，HSQ中的Si—H鍵發(fā)生了熱裂解，Si原子通過氧化物擴散并隨后成核形成非晶態(tài)納米SiOx，在還原氣氛下結(jié)晶出硅晶體。這種形態(tài)結(jié)構(gòu)把晶態(tài)Si很好地限制在非晶態(tài)SiOx基體里，能有效調(diào)節(jié)Si的體積變化，使Si/SiOx負極材料擁有較高的可逆容量和良好的循環(huán)性能。圖2(c)，(d)為不同放大倍率下G/Si/SiOx-2的SEM圖譜。從圖中可以較清晰地看到石墨烯為褶皺薄層狀結(jié)構(gòu)，一樣褶皺薄層上附著著Si/SiOx納米球，形成了納米復合物多孔的結(jié)構(gòu)特征，從而產(chǎn)生許多空間空位，這些空位對Si/SiOx充放電時巨大的體積變化起到了緩沖作用，有利于提高電極材料循環(huán)使用壽命。這一微觀形貌也證實了G/Si/SiOx-2中納米Si/SiOx顆粒被石墨烯片層所包覆。為進一步明確G/Si/SiOx-2納米復合材料的組成，利用EDS能譜進行表征，如圖2(f)所示。如圖所示，所制備的G/Si/SiOx-2納米復合材料EDS能譜中可觀察到O和Si峰，表明樣品主要由O和Si組成，無其他雜質(zhì)元素。其中G/Si/SiOx-2沒有很明顯地顯現(xiàn)C峰，原因可能是由于所摻入的石墨烯含量較低，如圖2(f)內(nèi)插圖所示。
圖2 (a)，(b) Si/SiOx，(c)～(e) G/Si/SiOx-2納米復合材料在不同放大倍率下SEM圖譜；(f) Si/SiOx-2納米復合材料的EDS能譜圖
為了進一步了解G/Si/SiOx-2納米復合材料中元素的價態(tài)及其含量，進一步測試了XPS，如圖3(a)～(c)所示。從圖3(a)全譜中可以看出，樣品中含有氧、碳、硅元素，沒有其他元素的存在。G/Si/SiOx-2納米復合材料的Si 2p高分辨率光譜[圖3(b)]中，Si 2p譜圖可擬合為5個特征峰：Si(98.8 eV)、SiO0.5(99.6 eV)、SiO1.0(102.8 eV)、SiO1.5(103.5 eV)和SiO2.0(104.1 eV)。G/Si/SiOx-2納米復合材料處于約99 eV的特征峰，表明HSQ被還原為單質(zhì)硅，這與XRD圖樣的結(jié)果一致。圖3(c)為G/Si/SiOx-2納米復合材料的C 1s的XPS譜圖。如圖所示，G/Si/SiOx-2的C 1s的XPS擬合譜圖可以被分為四個分峰，對應于不同的官能團的碳原子：sp2雜化碳(284.6 eV)，sp3雜化碳飽和碳(285.2 eV)，C—O(285.7 eV)和C=O(286.2 eV)。圖3(d)為G/Si/SiOx-2納米復合材料的拉曼譜圖。如圖所示，G/Si/SiOx-2納米復合材料的拉曼光譜均在1350和1590 cm-1處附近可觀察到兩個明顯的峰，分別對應碳質(zhì)材料中的D峰和G峰。位于1590 cm-1處附近的G峰是由于碳原子一階拉曼的E2g光學膜產(chǎn)生的，與碳環(huán)或碳鏈中sp2碳原子的二維平面內(nèi)的振動有關。位于1350 cm-1處附近的D峰是由邊緣、不規(guī)則sp3碳原子等無序性誘導引起的，通常認為其與碳材料的層間無序或缺陷有關。此外，從圖上可以看出，G/Si/SiOx-2在509.8 cm-1處有一個峰，這個峰對應Si/SiOx中硅的晶體結(jié)構(gòu)，也證明了，G/Si/SiOx-2納米復合材料中晶體Si的存在。與XRD分析結(jié)果一致。946 cm-1的弱峰對應于連續(xù)Si/SiOx基體中的Si—O鍵。此外，與納米硅的521.9 cm-1處的拉曼特征吸收峰相比，G/Si/SiOx-2納米復合材料在509.8 cm-1處表現(xiàn)出微弱的藍移峰，這可能與SiOx基質(zhì)中限制的Si納米點的強光學聲子模式有關。這一結(jié)果證實了硅納米物質(zhì)在異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的高結(jié)晶度。
圖3 G/Si/SiOx-2納米復合材料的XPS譜圖 (a) 全譜圖，(b) Si 2p，(c) C 1s的高分辨率譜圖；(d) G/Si/SiOx-2納米復合材料的拉曼光譜
2.3 石墨烯/Si/SiOx納米復合材料的電化學儲鋰性能分析
圖4(a)、(b)為Si/SiOx和G/Si/SiOx-2電極的1 st、2 nd、3 rd和5 th的循環(huán)伏安曲線，其測試的電壓范圍在0.005～3.0 V (vs. Li+/Li)，掃描速率為0.1 mV/s。如圖所示，Si/SiOx與G/Si/SiOx-2電極呈現(xiàn)出相似的氧化還原特征峰。在首次陰極極化過程中，在約0.64 V位置可以清楚地觀察到一個還原峰，歸因于有機電解液的分解和在電極/電解質(zhì)界面膜(SEI膜)的生成。在約0.15 V的還原峰對應于合金化過程后晶體硅向LixSi相的轉(zhuǎn)變。在反向的陽極掃描過程中，發(fā)生逆向的反應，重新回到初始狀態(tài)，或者部分回到初始狀態(tài)。位于0.3 V和1.1 V的兩個氧化峰可以分別歸因于LixSi相向無定形相硅的二步去鋰化轉(zhuǎn)變過程。但是可以看到隨著循環(huán)次數(shù)的增加，氧化峰的強度也在不斷增強，表明電極材料一直處于活化狀態(tài)。在第二個和隨后的循環(huán)過程中，還原峰遷移到約0.81 V，這是由于電極表面形成穩(wěn)定的SEI膜。此外，Si/SiOx和G/Si/SiOx-2電極在隨后的循環(huán)伏安曲線中，氧化還原峰的峰強和整體積分區(qū)域與第二個循環(huán)幾乎接近，重合性較好，但相比于第一個循環(huán)有明顯下降。這些結(jié)果表明電極的電化學可逆性是第一個循環(huán)后逐步建立的，且循環(huán)過程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、可逆性好。
圖4 (a) Si/SiOx和 (b) G/Si/SiOx-2在掃描速率為0.1 mV/s，電壓范圍0.005～3.0 V (vs. Li+/Li)條件下的循環(huán)伏安曲線；Si/SiOx，G/Si/SiOx-1和G/Si/SiOx-2電極 (c) 在電流密度200 mA/g，電壓范圍0.005～3.0 V (vs. Li+/Li)條件下的循環(huán)性能，(d) 在不同電流密度條件下(測試電流為100、200、400、800和1600 mA/g，電壓窗口為0.005～3.0 V)的倍率性能
圖4(c)為Si/SiOx、G/Si/SiOx-1和G/Si/SiOx-2在電壓范圍為0.005～3 V(vs. Li+/Li)，電流密度為200 mA/g下的循環(huán)性能曲線。從圖中可以清晰地看出，與Si/SiOx電極相比，G/Si/SiOx電極表現(xiàn)出更加優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和高的可逆比容量。Si/SiOx電極的可逆放電比容量10個循環(huán)后從首次可逆的424.41 mAh/g逐漸增加到611.05 mAh/g，隨后循環(huán)的可逆比容量曲線略有波動，但總體保持穩(wěn)定，循環(huán)300周后，其可逆放電比容量為593.53 mAh/g。由圖可知，G/Si/SiOx-1和G/Si/SiOx-2電極隨著充/放電循環(huán)次數(shù)的增加，出現(xiàn)顯著的可逆儲鋰比容量逐漸增加，循環(huán)300周后，其可逆放電比容量分別高達853.76 mAh/g和777.34 mAh/g，電極的庫侖效率均始終保持在99%以上以及良好的可逆性，表明G/Si/SiOx電極的鋰化/去鋰化過程可逆且高效。這種可逆容量隨循環(huán)進行而增加可能是由于電解液在活性材料內(nèi)部逐漸滲透、活化造成的和活性材料表面形成的聚合物表面層有關。在初始的循環(huán)過程中，由于電解質(zhì)離子在多孔電極中的擴散限制，活性材料納米粒子的表面未能完整形成聚合物表面層。隨著充/放電循環(huán)次數(shù)的增加，聚合物表面層破壞再生長，活性電極材料表面逐漸被完全覆蓋，引起電極儲鋰容量在經(jīng)歷初始的一個衰減后逐漸增長的過程，最后逐漸穩(wěn)定在某一數(shù)值范圍。另外，在充/放電過程中便于鋰離子擴散的通道逐漸建立，且電極活性材料也被逐漸活化，也可能導致儲鋰容量的逐漸增加。這些結(jié)果表明，G/Si/SiOx-2納米復合材料電極具有高的可逆比容量和充/放電可逆性。
為測試電極的倍率性能，每個電極的恒流充/放電電流密度從100逐步增加到1600 mA/g，在每個電流密度下均循環(huán)10次，最后回到200 mA/g再循環(huán)10次。圖4(d)為Si/SiOx、G/Si/SiOx-1和G/Si/SiOx-2電極在電壓為0.005～3 V(vs. Li+/Li)，電流密度分別在100、200、400、800、1600 mA/g下的倍率性能曲線。由圖可見，隨著電流密度的增加，Si/SiOx、G/Si/SiOx-1和G/Si/SiOx-2電極的放電容量逐漸減小，這可歸因于在高電流密度下電極的極化增加。顯而易見，相比于Si/SiOx和G/Si/SiOx-1電極，G/Si/SiOx-2電極具有更高的儲鋰容量和更好的倍率性能?？梢钥闯?，當電流密度為400 mA/g時，G/Si/SiOx-2電極可逆比容量仍然高達398.86 mAh/g，高于Si/SiOx、G/Si/SiOx-1電極和石墨的理論容量(372 mAh/g)。重要的是，經(jīng)過60周循環(huán)以后，當電流密度恢復至200 mA/g的小電流時，復合電極的可逆容量幾乎恢復到初始值，這一表現(xiàn)說明，即使在大倍率條件下充/放電循環(huán)后，復合材料電極的結(jié)構(gòu)仍然沒有被破壞，仍然保持良好的電接觸，使其具有良好的倍率性能和穩(wěn)定性。圖中對比發(fā)現(xiàn)，隨著加熱溫度的升高，倍率性能表現(xiàn)優(yōu)良，比容量也有所提升，這與HSQ還原得到納米硅的數(shù)量增多和石墨烯的引入密切相關，同時納米化的Si/SiOx有效緩解了硅的體積膨脹，使活性材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，保證了穩(wěn)定的循環(huán)性能。
圖5為Si/SiOx、G/Si/SiOx-1和G/Si/SiOx-2電極在測量頻率范圍0.05 Hz～100 kHz振幅5 mV的Nyquist曲線。如圖所示，Nyquist曲線均由一個高-中頻率區(qū)域的扁半圓和一個低頻率區(qū)域的斜線組成。阻抗在實軸的截距對應的是電解液的歐姆電阻和接觸電阻(Re)，高-中頻率區(qū)域的半圓分別對應于SEI膜電阻(Rf)和電化學反應過程中電極/電解液界面的電荷轉(zhuǎn)移電阻(Rct)，低頻率區(qū)域的斜線對應于Warburg阻抗，與鋰離子在固態(tài)電極中的半無限擴散有關。從圖中可以看出，電荷傳遞阻抗大小為：G/Si/SiOx-2<G/Si/SiOx-1<Si/SiOx，G/Si/SiOx-2表現(xiàn)出了良好的導電性。此外，無論是在900 ℃還是1050 ℃保溫2 h的電極材料，與石墨烯進行復合的半圓的半徑更小，且直線的斜率也更大，說明在與石墨烯復合以后，電極材料的界面阻抗以及Li+擴散阻抗都有所減小，表明石墨烯材料的引入，增強了硅基負極材料的導電性，對電化學性能提高大有助益。
圖5 Si/SiOx、G/Si/SiOx-1和G/Si/SiOx-2的電化學阻抗圖譜
3 結(jié)論
（1）以三乙氧基硅烷為原料，在氧化石墨烯懸浮液體系下采用原位溶膠-凝膠法，隨后在H2/Ar還原性氣氛下熱還原制備了石墨烯/Si/SiOx納米復合材料。物相結(jié)果表明：復合材料中Si/SiOx納米球均勻地附著在石墨烯的層間和表面，其中晶體納米硅被非晶態(tài)SiOx基體所包裹，能夠有效調(diào)節(jié)納米硅循環(huán)過程中的體積變化；Si/SiOx納米球被2D石墨烯所包覆，不僅有效緩解硅的體積膨脹，減少了石墨烯的聚集和堆疊，還有利于在活性顆粒表面形成穩(wěn)定的SEI膜，保持電極的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和良好的導電性。
（2）作為鋰離子電池無黏結(jié)劑的負極材料，電化學測試結(jié)果表明，G/Si/SiOx-2電極材料在200 mA/g的電流密度下具有較高的初始可逆容量722.45 mAh/g、高倍率性能和長時間循環(huán)穩(wěn)定性。更重要的是，循環(huán)300次后可逆容量高達853.76 mAh/g且無明顯衰減。
