加州大学《Small》：一种快速、可扩展的激光划线工艺制备硅/石墨烯复合材料，用于锂离子电池

成果简介

与传统石墨相比，硅因其较高的理论容量而作为锂离子电池负极材料而受到广泛关注。遗憾的是，硅负极在锂化和去锂化过程中体积变化剧烈，导致循环性能不佳。将硅颗粒与二维碳材料（如石墨烯）复合，有助于缓解这一问题。然而，一个尚未解决的难题依然存在：硅/石墨烯复合材料的合成过程简单、成本低廉。本文，加州大学Richard B. Kaner等研究人员在《Small》期刊发表名为“A Rapid, Scalable Laser-Scribing Process to Prepare Si/Graphene Composites for Lithium-Ion Batteries”的论文，研究提出了一种一步激光刻蚀法，一种简单、快速（约3分钟）、可扩展且能耗较低（约5W，在空气中几分钟）的工艺制备硅/激光刻蚀石墨烯（LSG）复合材料。

在这项研究中，使用了两种类型的硅颗粒，即硅纳米颗粒（SiNPs）和硅微粒（SiMPs）。激光划线后，速率性能得到了改善：SiNP/LSG 在 A g_Si+C⁻¹时可保持827.6mAh/g，而 SiNP/GO（激光划线前）只能保持 463.8 mAh/g。这可归因于激光划片形成的剥离良好的三维石墨烯网络内的快速离子传输。可循环性也得到了改善：在2.0 A g_Si+C⁻¹条件下循环 100 次后，SiNP/LSG 的容量保持率为 88.3%，而SiNP/GO的容量保持率仅为 57.0%。SiMP 也有同样的趋势：SiMP/LSG比SiMP/GO复合材料显示出更好的速率和循环性能。

图文导读

图1、激光划线方法的概念说明，这是一种简单、快速（约3分钟）、可扩展且能耗更低（约5W，在空气中几分钟）制备锂离子电池用 Si/LSG 阳极的过程

图2、a，b） SiNP/GO（激光划线前）和 SiNP/LSG（激光划线后）边界、c–e） SiNP/GO（激光划线前）、f–h） SiNP/LSG（激光划线后）和 i–k） SiNP/LSG（压制后）的 SEM 图像。

图3、a，b） SiNP/GO复合材料（激光划线前）和SiNP/LSG复合材料（激光划线后）的TEM图像。c） SiNP/GO 和 SiNP/LSG 复合材料的 C 1s、d） O 1s 和 e） Si 2p XPS 谱图和 f） XRD 图谱。

图4、Si/LSG复合材料的电池性能

小结

激光划线方法提供了一种简单、快速、可扩展且能耗更低的工艺来制备用于锂离子电池阳极的硅/激光划线石墨烯 （LSG） 复合材料。激光划线工艺通过创建剥离良好的石墨烯 3D 网络结构，成功地将GO降低为LSG，硅颗粒在其上很好地分散。两种类型的Si颗粒SiNPs（20-30nm）和SiMPs（1-3μm）用于电池性能测试。这些测试证实，激光划线工艺提高了SiNP和SiMP的倍率性能。倍率性能的提高可归因于锂离子在3D LSG 支架内的快速传输以及与 GO 相比 LSG 的更高电导率。虽然激光划线是一个简单的过程，但它也提高了硅/碳复合材料的可循环性。循环性的提高可以通过SiNPs在3D LSG支架上的更好分散来解释：体积膨胀引起的电接触损失最小化。尽管SiNP/LSG在循环性方面表现出明显的改善，但SiMP/LSG的改善更为有限。在这里，我们展示了一种简单的激光划线工艺，以提高硅/碳复合材料的速率和循环性能。对于实际应用来说，仍然需要改进，以进一步提高Si/LSG复合材料的有限可循环性。

文献：https://doi.org/10.1002/smll.202305921