低成本可扩展！石墨烯复合负极

在先进的锂离子电池（LIB）中，低成本的微型硅是商用石墨负极的诱人替代品，但在循环过程中会出现颗粒断裂。将微型硅与导电碳材料（尤其是石墨烯）混合是克服体积变化问题的一种实用方法。然而，由于缺乏有效的电解质扩散通道，通过传统技术制备的微尺寸硅/石墨烯负极会遇到 Li+ 传输缓慢的问题。

在此，国家纳米科学中心李祥龙研究员团队报道一种简便可扩展性制备高性能微米硅/石墨烯复合负极的策略。该策略用发泡工艺处理堆叠的微米硅/氧化石墨烯薄膜，再辅以热处理工艺，制备出具有高效锂离子扩散通道的多级次层状微米硅/石墨烯复合负极。

相关成果以“Scalable engineering of hierarchical layeredmicro-sized silicon / graphene hybrids via direct foaming for lithium storage”为题发表在英国皇家化学会期刊《Nanoscale》上。

图文导读

图 1 分层微小硅/石墨烯混合材料的战略。(a) f-G-Si 和 G-Si 的合成和结构以及用于锂存储的相应特性。(b) f-G-Si 的可扩展制造工艺。(c) GO-Si、G-Si 和 f-G-Si 的数码照片（比例尺：1 厘米）

图 2 (a) f-G-Si 和 (b) G-Si 的横截面 SEM 图像（相邻虚线之间的空间为通道；放大区域为封装的微小硅颗粒）；(c) f-G-Si 和 (d) G-Si 表面的 SEM 图像。f-G-Si 中（e）微小硅颗粒的 SEM 图像和相应的 EDX 图谱

图 3 (a-c) f-G-Si 的 TEM 图像，(d) f-G-Si、G 和 Si 的 XRD 图、(e) f-G-Si 和 G-Si 的拉曼光谱，以及 (f) f-G-Si 和 G-Si 的热重分析曲线。

图 4 阳极的电化学特性。(a) f-G-Si、(b) G-Si 和 (c) Si 的静电放电（GCD）曲线。(d) f-G-Si、G-Si 和硅阳极在 1 A g-1 下的循环性能。(e)f-G-Si at 2 A g⁻¹的循环性能。(f) f-G-Si 在 1 A g^-1下进行 200 次充放电循环后的照片图像和（g 和 h）横截面 SEM 图像。(i) 硅含量较低（52%）的 f-G-Si 和 G-Si 在 1 A g^-1下的循环性能。( j) f-G-Si 和 G-Si 在0.5至10A g^-1电流密度下的速率能力

图 5 (a) f-G-Si 和 (b) G-Si 上的电解质接触角和扩散。(c) f-G-Si 和 G-Si 在放电（锂化）和充电（去锂化）过程中的 Li+ 扩散系数。(d) f-G-Si 在不同扫描速率下的 CV 曲线。(e) d 中阴极峰和阳极峰的对数（i）与对数（v）曲线。

结论

总之，研究团队开发出了一种简便且可扩展的制备方法，可在不牺牲硅容量的情况下在微尺寸硅/石墨烯复合负极中建立高效的 Li+ 传输通道。在该方法中，微小尺寸的硅颗粒通过导电的分层互连石墨烯层封装，石墨烯层作为机械强度高且灵活的框架，可缓冲循环过程中的体积变化。高导电性石墨烯层和已建立的 Li+ 传输通道赋予了微尺寸硅颗粒超强的电子和离子导电性，从而实现了比对照样品更优越的速率性能。

由于其独特的结构特征，所制备的 f-G-Si 材料可以最大限度地利用微尺寸硅，作为一种无粘结剂的独立负极，在不使用任何添加剂的情况下实现出色的电化学性能。

研究团队的策略针对的是硅负极的迫切需求，即以低成本获得大容量、优异的循环稳定性和卓越的高速率性能。这一概念还可扩展到硅以外的其他具有出色稳定性和高效电子及离子传输性能的材料。低成本的原材料和可扩展的生产工艺使低成本高能量负极成为现实。

原文：https://doi.org/10.1039/D3NR02840B