石墨烯與硅基、錫基材料復(fù)合

石墨烯與硅基、錫基材料復(fù)合
硅基、錫基材料擁有很高的理論比容量，但Li+在其中嵌入、脫出時(shí)，電極材料體積變化明顯，反復(fù)充放電后電極材料容易粉化脫落，從而降低電池容量。

對(duì)于SnO2來(lái)說(shuō)，碳納米材料的報(bào)復(fù)可有效解決其體積膨脹的問(wèn)題，且阻止材料納米顆粒團(tuán)聚的同時(shí)提高了材料導(dǎo)電性，從而發(fā)揮出高容量的潛能。例如石墨烯包覆夾層結(jié)構(gòu)SnO2材料[5]，其獨(dú)特的“三明治”結(jié)構(gòu)提高了電極材料的穩(wěn)定性且能最大化利用SnO2分子的比表面積，避免了SnO2分子的團(tuán)聚，緩解了體積膨脹。石墨烯夾層的引入加強(qiáng)了納米分子間的相互聯(lián)系，從而避免了導(dǎo)電添加劑和粘結(jié)劑的使用。石墨烯/SnO2球狀顆粒復(fù)合材料的首次放電容量為1247 mAh/g，較石墨烯/SnO2納米片層材料提升了41.06%。

硅基類(lèi)材料的理論比容量高達(dá)4200 mAh/g，其較低的放電電壓平臺(tái)，高自然儲(chǔ)量，使其成為具有極好應(yīng)用前景的負(fù)極材料。但其在充放電過(guò)程中體積效應(yīng)嚴(yán)重，造成材料的循環(huán)穩(wěn)定性差。同錫基材料類(lèi)似，石墨烯的引入可有效控制硅基材料的體積膨脹，使Si 負(fù)極材料倍率性能得到一定的改善。

石墨烯包覆納米硅(GS-Si)復(fù)合材料不僅容量高，而且具有較好的循環(huán)性能。從其掃描電鏡及透射電鏡圖中可以看到，石墨烯構(gòu)成具有內(nèi)部空腔的三維立體導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，將硅粉很好地包裹在其內(nèi)部空腔內(nèi)。該材料在200 mA/g 電流密度下進(jìn)行恒流充放電測(cè)試，30次循環(huán)后容量仍能保持在1502 mAh/g，容量保持率高達(dá)98%[6]。

但石墨烯材料的化學(xué)惰性使得其與Si基材料之間的作用力很弱，在經(jīng)過(guò)數(shù)次的充放電循環(huán)后，Si-C結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)了粉化和崩塌。有研究發(fā)現(xiàn)石墨烯中那些由于晶體生長(zhǎng)、高能粒子轟擊或化學(xué)處理所產(chǎn)生的單空位缺陷、雙空位缺陷以及Stone-Wales 缺陷可以大幅度提高石墨烯/Si分子間的結(jié)合能，使復(fù)合材料的穩(wěn)定性更好。刻意地制造這類(lèi)缺陷會(huì)提高石墨烯材料與Si之間的結(jié)合力，而且空位缺陷可以提供額外的儲(chǔ)鋰活性位點(diǎn)，從而更好地提高電極材料的容量。另一種解決這一問(wèn)題的方法是在Si分子、石墨烯片層間生長(zhǎng)納米碳，這種方式使得石墨烯納米片和Si 基間搭建了穩(wěn)定的導(dǎo)電橋梁，這種穩(wěn)定的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)既減少了Li+嵌入、脫出過(guò)程中產(chǎn)生的體積效應(yīng)，避免電極材料的破碎，又保持了SEI 膜的穩(wěn)定性，在充放電過(guò)程中避免了過(guò)高的容量衰減，對(duì)Si基材料容量的提高有很大幫助。

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