哈工大《AFM》：分散在石墨烯基体中的超薄硅纳米片为锂离子电池提供稳定的界面和高倍率性能

成果简介

由二维硅材料由于其厚度小、横向尺寸大等优点，在锂离子电池（LIBs）的高性能阳极方面具有广阔的应用前景。然而，超薄二维硅纳米片（Si NSs）的简易合成及其有效应用仍然是一个巨大的挑战。本文，哈尔滨工业大学杜春雨，教授团队在《Adv Funct Mater》期刊发表名为“Ultrathin Si Nanosheets Dispersed in Graphene Matrix Enable Stable Interface and High Rate Capability of Anode for Lithium-ion Batteries”的论文，研究通过HCl蚀刻Al2O9Si 3合成平均厚度小于2nm的超薄Si-NSs。与石墨烯结合后，制备的Si-NSs@rGO该材料具有超高速率性能（2395.8 mAh g−1 at 0.05 A g−1 and 1727.3 mAh g−1 at 10 A g−1） ，较长的循环寿命（在2Ag−1下进行1000次循环具有0.05%的容量衰减率（每个循环）和较高的平均库仑效率（1000个循环期间为99.85%），优异的性能归因于 Si-NS 的超薄性，极大地提高了 Li +离子的扩散性和可逆性。这项工作提供了一种制备高倍率负极材料的策略，以满足对高功率密度锂离子电池不断增长的需求。

图文导读

图1、a)蒙脱石Al2O9Si3-HCl的照片。b) 蒙脱石Al2O9Si 和Al2O9Si3 -HCl的XRD图谱。c)用于蚀刻蒙脱石Al2O9Si3的HCl溶液的27Al MAS NMR光谱（d) Si-NSs@rGO 的合成过程示意图。e) TEM、f) HRTEM 和 g) Si-NSs 的 AFM 图像。h) Si-NSs@rGO的TEM图像。

图2、a）Si-NSs和Si-NSs@rGO的XRD图谱。b) Si-NSs@rGO 的Si 2p XPS光谱。c) Si-NSs和Si-NSs@rGO的拉曼光谱。d) GO、Si-NSs 和 Si-NSs@rGO的TG曲线。

图3、a) 在0.1mV s -1扫描速率下Si-NSs和纳米Si的CV曲线。b)在50mAg-1下 Si-NSs 和纳米Si 的恒电流充放电曲线。c）在200mA g -1 100次循环下Si-NSs、Si-NSs@rGO、纳米Si和纳米Si@rGO电极的循环性能。d) 长期循环性能和 e) Si-NSs、Si-NSs@rGO、nano-Si 和 nano-Si@rGO在2A g-1下1000次循环的库仑效率。

图4、a) 拟合的 C 1s，b) F 1s 光谱，和 c) 循环 Si-NSs@rGO 电极的 Si 2p XPS Ar 离子蚀刻深度分析。d) 循环纳米 Si@rGO 电极的拟合 C 1s、e) F 1s 光谱和 f) Si 2p XPS Ar 离子蚀刻深度分析。

图5、锂化期间单个 a) Si-NS 和 d) 纳米Si 在不同充电状态 (SOC) 下的 von Mises 应力分布（b) Li +的浓度分布和 c) 在 100% SOC 下锂化过程中堆叠的 Si-NSs 的应力分布。e) Li +的浓度分布和 f) 在 100% SOC 下锂化过程中堆叠纳米硅的应力分布。g) Li +浓度和 h) Von Mises 应力与堆叠纳米硅表面应力集中点和应力均匀点的 SOC 曲线。

图6、a) Si-NSs、Si-NSs@rGO、nano-Si 和 nano-Si@rGO 电极的倍率性能。b) Si-NSs@rGO 与之前报道的硅基材料之间的速率能力比较。c) Si-NSs@rGO的微分容量曲线。d) Si-NSs@rGO 在不同扫描速率下的 CV 曲线。e)阴极和阳极峰的Log( i ) 与 log( v ) 图。f）不同扫描速率下电容和扩散控制贡献的百分比。g) Si-NSs@rGO 在 1.0 mV s -1 时电容和扩散电流的分离。h）活化后Si-NSs@rGO和纳米Si@rGO电极的电化学阻抗谱。i)在较低角频率下Z re和ω-0.5之间的关系。

小结

这项工作表明，制备超薄Si-NSs及其与石墨烯的结合是提高Si基负极电化学性能的一条重要简易的途径，在大功率和长寿命LIBs中具有巨大的应用潜力，并且可以扩展到其他电极材料的研究。

文献：https://doi.org/10.1002/adfm.202110046