中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：近年來，鋰離子電池負(fù)極材料方面對(duì)硅材料的研究報(bào)道層出不窮，硅材料也被認(rèn)為是最有可能替代石墨負(fù)極的“潛力股”。然而，硅固有的體積膨脹大和電導(dǎo)率低等缺點(diǎn)嚴(yán)重的阻礙了其商業(yè)化。
在改善硅導(dǎo)電性方面，使石墨烯和硅復(fù)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(dǎo)電和導(dǎo)熱性，并且具有良好的化學(xué)和機(jī)械穩(wěn)定性。石墨烯已經(jīng)成為用于改善硅負(fù)極電化學(xué)性能的常用材料之一。山東大學(xué)慈立杰教授結(jié)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(xué)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(jié)構(gòu)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(huì)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(gè)過程簡(jiǎn)單易操作。這種材料設(shè)計(jì)具有多種優(yōu)點(diǎn)，也使得P-Si/rGO復(fù)合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能：當(dāng)用作LIB中的負(fù)極材料時(shí)，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(dá)2100、1,600、1,500、1200和950mAh/g。
圖3. P-Si/rGO核-殼復(fù)合材料的電化學(xué)性能。(a)P-Si/rGO核-殼復(fù)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(fù)合材料和P-Si在1A/g電流密度下的長(zhǎng)周期性能。
P-Si/rGO優(yōu)異的電化學(xué)性能可歸功于精心設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)：
1)通過脫金屬方法產(chǎn)生多孔硅結(jié)構(gòu)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(fù)合材料的導(dǎo)電性；
3)rGO殼可以提供高速電子轉(zhuǎn)移的路徑，因此復(fù)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
