石墨烯负载二氧化锡量子点结构作为优异循环和倍率性能的负极材料

随着电动汽车的发展，构筑高能量密度和长寿命的锂离子电池已经成为研究的热点之一。然而目前商业化的石墨的容量仅仅只有372 mAh g^-1，难以达到目前对于高能量密度的锂离子电池的需求。锡基材料是现在备受关注的负极材料之一，其单位体积容量为石墨的8.6倍，单位质量容量为石墨的2.7倍。如果采用锡基材料作为负极，电池的能量密度成倍提升。然而其体积将膨胀到200～300％，在充放电时就要承受巨大的机械应力，使负极受到破坏，形成微颗粒，充放电循环特性容易发生劣化。同时结构劣化导致固体电解质膜（Solid Electrolyte Interphase, SEI）破裂，导致电极材料重新暴露在电解液中，从而反复形成SEI膜，消耗活性锂离子，从而使得容量衰减。

针对这一问题，武汉理工大学麦立强教授课题组通过巧妙设计Sn²⁺与石墨烯表面官能团的氧化还原反应，通过异相成核生长方式，构筑了石墨烯负载二氧化锡量子点结构。通过这种氧化还原反应构筑的结构可以有效地提高石墨烯与SnO₂量子点之间机械和电子接触。同时，SnO₂量子点在石墨烯上生长活性位点集中在官能团上，从而均匀地分布在石墨烯基底上面。因此，作为电极材料时，这种分散的SnO₂量子点充放电过程中可以有效地缓解体积膨胀，抑制SnO₂量子点团聚。同时，石墨烯可以作为导电柔性基板，不仅在充放电过程中，特别是导电率较差的放电态，提供连续的电子传导，而且可以释放SnO₂量子点膨胀的内应力，缓解结构裂化。这种结构有助于形成稳定的SEI膜，从而有效利用SnO₂高容量特性，得到长循环寿命和高倍率性能的锂离子电池负极材料。电池材料的测试表明：石墨烯负载二氧化锡量子点材料在100 mA g^-1电流密度下可以提供1121 mAh g^-1，在2 A g^-1的高倍率下，其2000圈容量保持率高达86 %。同时，循环后测试表明尽管二氧化锡量子点结构由5 nm膨胀至8 nm，但是由于石墨烯与SnO₂量子点之间良好的机械和电子接触，石墨烯负载二氧化锡量子点结构依旧保持的非常好，从而形成稳定的SEI膜，抑制容量衰减。我们研究结果对高膨胀和高容量电极材料的开发与应用具有重要的指导意义。相关结果发表在Small（DOI: 10.1002/smll.201502183）