中國儲能網(wǎng)訊：近年來，鋰離子電池負極材料方面對硅材料的研究報道層出不窮，硅材料也被認為是最有可能替代石墨負極的“潛力股”。然而，硅固有的體積膨脹大和電導率低等缺點嚴重的阻礙了其商業(yè)化。
在改善硅導電性方面，使石墨烯和硅復合是一種很好的方法。僅為單層碳原子的石墨烯具有很高的導電和導熱性，并且具有良好的化學和機械穩(wěn)定性。石墨烯已經(jīng)成為用于改善硅負極電化學性能的常用材料之一。山東大學慈立杰教授結合硅和石墨烯，通過原位還原和脫合金工藝成功制備出一種核桃狀多孔硅/還原氧化石墨烯(P-Si/rGO)材料，具有極好的電化學性能。
圖1. 核殼P-Si/rGO的合成方法示意圖。
圖2. (a)和(b)Al-Si合金顆粒的SEM圖像，顯示出其球形。(c)和(d)顯示多孔P-Si的SEM圖像。(e)和(f)顯示P-Si/rGO核-殼結構的SEM圖像。
注：P-Si：多孔硅
作者首先將合金粉末分散在氧化石墨烯懸浮液中，合金粉末會使氧化石墨烯還原并被其包裹，然后通過酸蝕的方法除去Al，整個過程簡單易操作。這種材料設計具有多種優(yōu)點，也使得P-Si/rGO復合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學性能：當用作LIB中的負極材料時，在1A/g 的電流密度下，循環(huán)300周后仍有1258mAh/g的比容量。在1.0、2.0、3.0、4.0和5.0A/g 的電流密度下，比容量分別高達2100、1,600、1,500、1200和950mAh/g。
圖3. P-Si/rGO核-殼復合材料的電化學性能。(a)P-Si/rGO核-殼復合材料的CV曲線，掃描范圍為0.01-1.2 V，掃描速率為0.5 mV/s。(b)1A/g下的充放電電壓曲線。(c)P-Si / rGO，純石墨烯和P-Si在1A/g電流密度下的壽命曲線。(d)P-Si/rGO在1.0、2.0、3.0、4.0和5.0A/g下的倍率性能。(e)P-Si/rGO核-殼復合材料和P-Si在1A/g電流密度下的長周期性能。
P-Si/rGO優(yōu)異的電化學性能可歸功于精心設計的結構：
1)通過脫金屬方法產(chǎn)生多孔硅結構可以在充放電期間為體積變化提供足夠的空間；
2)原位還原過程可以顯著提高復合材料的導電性；
3)rGO殼可以提供高速電子轉移的路徑，因此復合材料可以提供非常優(yōu)異的倍率性能；
4)rGO外殼不僅可以緩沖體積變化，還可以減少電解液和硅之間的直接接觸面，從而提高效率和優(yōu)異的容量保持率。
Wei Zhai, Qing Ai, Lina Chen, Shiyuan Wei,Deping Li, Lin Zhang, Pengchao Si, Jinkui Feng, and Lijie Ci; Walnut-inspired microsized porous silicon/graphene core–shell composites for high-performance lithium-ion battery anodes; Nano Research(2017); DOI: 10.1007/s12274-017-1584-5
