中國儲能網(wǎng)訊：近年來，鋰離子電池負極材料方面對硅材料的研究報道層出不窮，硅材料也被認為是最有可能替代石墨負極的“潛力股”。然而，硅固有的體積膨脹大和電導率低等缺點嚴重的阻礙了其商業(yè)化。
在改善硅導電性方面，使石墨烯和硅復合是一種很好的方法。僅為單層碳原子的石墨烯具有很高的導電和導熱性，并且具有良好的化學和機械穩(wěn)定性。石墨烯已經(jīng)成為用于改善硅負極電化學性能的常用材料之一。山東大學慈立杰教授結合硅和石墨烯，通過原位還原和脫合金工藝成功制備出一種核桃狀多孔硅/還原氧化石墨烯(P-Si/rGO)材料，具有極好的電化學性能。
圖1. 核殼P-Si/rGO的合成方法示意圖。
圖2. (a)和(b)Al-Si合金顆粒的SEM圖像，顯示出其球形。(c)和(d)顯示多孔P-Si的SEM圖像。(e)和(f)顯示P-Si/rGO核-殼結構的SEM圖像。
注：P-Si：多孔硅
作者首先將合金粉末分散在氧化石墨烯懸浮液中，合金粉末會使氧化石墨烯還原并被其包裹，然后通過酸蝕的方法除去Al，整個過程簡單易操作。這種材料設計具有多種優(yōu)點，也使得P-Si/rGO復合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學性能：當用作LIB中的負極材料時，在1A/g 的電流密度下，循環(huán)300周后仍有1258mAh/g的比容量。在1.0、2.0、3.0、4.0和5.0A/g 的電流密度下，比容量分別高達2100、1,600、1,500、1200和950mAh/g。
圖3. P-Si/rGO核-殼復合材料的電化學性能。(a)P-Si/rGO核-殼復合材料的CV曲線，掃描范圍為0.01-1.2 V，掃描速率為0.5 mV/s。(b)1A/g下的充放電電壓曲線。(c)P-Si / rGO，純石墨烯和P-Si在1A/g電流密度下的壽命曲線。(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-殼復合材料和P-Si在1A/g電流密度下的長周期性能。
P-Si/rGO優(yōu)異的電化學性能可歸功于精心設計的結構：
1)通過脫金屬方法產生多孔硅結構可以在充放電期間為體積變化提供足夠的空間；
2)原位還原過程可以顯著提高復合材料的導電性；
3)rGO殼可以提供高速電子轉移的路徑，因此復合材料可以提供非常優(yōu)異的倍率性能；
4)rGO外殼不僅可以緩沖體積變化，還可以減少電解液和硅之間的直接接觸面，從而提高效率和優(yōu)異的容量保持率。
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
