什么是石墨烯電池？石墨烯電池和石墨烯鋰離子電池有區別嗎？

2021-04-24 ryder

高級通訊設備和電動車范疇日益增長的能源需求使得高能量密度鋰電池的研制引起了巨大關注。硅基材料由于具有超高的比容量、大儲量以及相對低的鋰嵌入電位，可用作下一代鋰電池負極。然而，在連續嵌鋰和脫鋰過程中體積的顯著變化（》300%）會造成活性材料的破裂和脫落，進而引起嚴重的容量衰減。很多研究聲明，通過引入石墨烯等某些碳材料得到的硅-碳復合物，可以呈現出碳的很多優良特性（比如電導性和機械靈活性），從而可以有效處理這個問題。

2成果簡介

最近，北京大學劉忠范院士與彭海琳教授（共同通訊）合作，提出了一種垂直石墨烯包裹的一氧化硅微粒（d-SiO@vG），它可以用作穩定的鋰電池負極并擁有高比容量。在一氧化硅（SiO）微粒表面通過化學氣相沉積辦法垂直生長的石墨烯不僅可以顯著加強微粒的導電性能，還能為鋰離子提供大量的傳輸通道。研究發現，即使在高負載（1.5mg/cm2）情況下，獲得的復合材料依然有很好的穩定性（100圈，保持率93%），容量高達1600mAh/g。本成果以VerTIcalGrapheneGrowthonSiOMicroparTIclesforStableLithiumIonBatteryAnodes為題于5月4號發表在期刊NanoLetter上。

3圖文導讀

機理圖1.垂直石墨烯包裹硅基微粒的設計

a、連續電池循環過程中體積變化引起的硅基電極電絕緣。

b、在電池循環過程中，表面傾覆的垂直石墨烯可以在一氧化硅微粒之間提供穩定的導電連接。

圖1.一氧化硅微粒上的垂直石墨烯生長

（a-b）相互連接的d-SiO@vG微粒的TEM圖像及白色方框選中部分放大圖像。

（c）三角形垂直石墨烯薄膜的高辨別率TEM圖像，內圖是標注區域的剖面圖。

（d）d-SiO@vG微粒的拉曼譜圖。

（e-f）d-SiO@vG微粒與SiO微粒的XpS譜圖中Si2p峰部分以及d-SiO@vG微粒的C1sXpS譜圖。

升溫過程中，一氧化硅表面發生歧化反應得到的二氧化硅可以為石墨烯的生長提供催化位點。從拉曼圖譜上可以看出有石墨烯的特征峰（D：~1359cm-1，G：~2699cm-1，2D：~2690cm-1）。XpS譜圖聲明復合微粒的表面主要是無定形二氧化硅。結構中有C-O鍵而無C-Si鍵，說明氧在石墨烯生長中起緊要作用。

圖2.d-SiO@vG微粒的導電性能探測

（a）光學顯微鏡下用于微粒電流-電壓探測的電路。

（b）單個SiO粒子、單個d-SiO@vG粒子及多個互聯d-SiO@vG粒子的I-V曲線。

（c）活性材料之間導電接觸不同形式的示意圖。

（d-f）pI薄膜上SiO、d-SiO@hG（水平石墨烯包裹）、d-SiO@vG復合電極薄膜電阻二維掃描圖像。

當一氧化硅微粒被約2.5wt%的石墨烯包裹時，電阻從~4.01012降到~3.1104，并且粒子間接觸電阻及薄膜電阻也大大降低。

圖3.d-SiO@vG陽極的電化學性能

（a）d-SiO@vG電極的典型CV曲線（含第1、2、5圈），掃速為0.05mVs-1。

（b）掃描前后d-SiO@vG電極的奈奎斯特曲線。

（c）在160mAg-1電流密度下的充放電性能。

（d）在320mAg-1電流密度下的d-SiO電極與d-SiO@vG電極的比容量和循環效率。

第一圈循環伏安曲線在0.65V處有一個峰，聲明有固體電解質膜形成，這導致了電荷傳輸電阻增大，但掃描十圈之后數值基本保持不變。固體電解質膜和石墨烯的存在增大了微粒的比表面積（從3m2/gto12m2/g），從而提高了充放電容量。同時，垂直石墨烯包裹還改善了電極的循環性能。