《AFM》：一种原位合成高性能硅石墨烯锂电负极材料的简便方法

作为锂离子电池商用负极材料，石墨的容量限制在372mAh g⁻¹，不能满足高能量密度应用的要求。硅(Si)因其突出的比容量(4200mAh g⁻¹)可能是最有前途的替代品。然而，硅的大容量因其在锂化和脱锂过程中的剧烈体积变化(约400%)而被削弱。氧化硅(SiO)因其容量大、循环寿命长而受到硅基材料的广泛关注，但其低的本征电导率和较低的库仑效率严重限制了其商业化应用。

来自美国北达科他州立大学等单位的研究人员，以低成本煤基腐植酸为原料，采用简便易行的方法原位合成了石墨烯包覆的歧化SiO (D-SiO@G)阳极。HR-TEM和XRD分析表明，石墨烯在SiO表面有良好的包覆层。扫描透射X射线显微镜和X射线吸收近边结构能谱分析表明，石墨烯涂层有效地阻碍了电解液与SiO颗粒之间的副反应。结果表明，D-SiO@G负极在0.1Ag⁻¹下的首次放电容量为1937.6 mAh g⁻¹，初始库仑效率为78.2%。高可逆容量(1023mAh g⁻¹在2.0A g⁻¹下)、优异的循环性能(在2.0A g⁻¹下500次循环后容量保持率为72.4%)和倍率性能(774mAh g⁻¹在5A g⁻¹下)是非常重要的结果。用LiFePO₄电极和D-SiO@G电极组装的全纽扣电池表现出令人印象深刻的倍率性能。这些结果表明在高性能锂离子电池中有很大的实际应用潜力。相关论文发表在Advanced Functional Materials。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202101645

综上所述，本文以煤基羟基磷灰石为碳源，开发了一种原位合成高性能硅石墨烯锂离子电池负极材料的简便方法。本文用各种表征工具对HA同时转化为石墨烯和SiO歧化反应进行了研究。涂层良好的石墨烯壳层阻碍了电解液与SiO颗粒之间的反应，同时显著提高了SiO阳极的导电性。结果表明，D-SiO@G负极具有优良的循环性能和倍率性能，在电流密度分别为2A g⁻¹和5A g⁻¹时，其可逆比容量分别为1023mAhg⁻¹和774mAh g⁻¹，ICE为78.2%。本文还进行了测试，表明使用D-SiO@C电极与LFP电极配对照明LED矩阵可以成功实现大电流能力（文：SSC）

图1.a)D-SiO@G负极材料合成工艺示意图。b)HA及其典型分子模型。c)原始SiO(P-SiO)的SEM图像

图2.a)P-SiO和D-SiO@G的XPS测量光谱；b)D-SiO@G的Si2p谱；c)D-SiO@G的C 1s XPS谱；d)D-SiO@G的O 1s XPS谱。

图3. a，b)D-SiO@G的TEM图像的低倍和高倍率。c)分别对应于区域1和2的Si纳米晶层和石墨烯层的面间间距。

图4.a)D-SiO@G的循环性能和库仑效率以及P-SiO在2.0 A g⁻¹时的循环性能。

图5.循环50次后P-SiO(a)粒子和c)D-SiO@G粒子在Si K-edge的平均STXM图像，以及它们在(b，d)处的化学映射。

图6.a)P-SiO和b)D-SiO@G在0.1mV S⁻¹扫描速率下的前3个循环的CV曲线。c)P-SiO和D-SiO@G基电极循环前的奈奎斯特曲线。

图7.a)D-SiO@G//LFP全电池在不同速率下的放电和充电特性。b)D-SiO@G//LFP燃料电池在1℃下的循环性能和库仑效率；c)D-SiO@G//LFP燃料电池成功点亮LED矩阵。