中科院化学所郭玉国&殷雅侠Adv. Funct. Mater.： 类石墨结构的SiOx/C用作高性能锂离子电池负极材料

【引言】

作为最重要的能量存储系统之一，锂离子电池已经广泛应用在便携式电子设备和电动汽车等领域。随着日益增长的能源需求和实际应用的需要，通过有效的途径提高电池的能量密度是至关重要的，其中通过开发先进的电极材料用以提升当前锂离子电池的能量密度是最有效的途径。近期，含硅的石墨复合物作为高性能锂离子电池负极材料引起了广泛的研究兴趣，这种含硅的类石墨的结构具有高的振实密度、低的比表面积、优异的可分散性等优势，而且可以直接采用目前成熟的商业化石墨负极制备技术，缩短了极片制备工艺研发周期，降低了生产成本。但是，目前主要通过在石墨表面负载硅基材料制备含硅的石墨复合物，由于石墨的比表面积通常小于5 m²/g，因此在石墨表面难以负载大量的硅基材料，导致含硅的石墨复合物容量较低，而高硅负载量（>15%）的石墨复合物循环性能较差。

【成果简介】

近日，中科院化学所郭玉国研究员与殷雅侠副研究员（共同通讯作者）和徐泉博士研究生等人在Advanced Functional Materials上发表了一篇题为“Facile Synthesis of Blocky SiO_x/C with Graphite-Like Structure for High-Performance Lithium-Ion Battery Anodes”的研究成果。该研究团队通过剥离和恢复人造石墨结构的方法有效地将大量的SiO_X颗粒负载在石墨内部的片层之间，制备了高SiO_X含量（30%）的石墨复合物。同时，将石墨烯引入到复合材料内部，有助于解决SiO_x颗粒导电性差的缺陷。文中主要利用了乳化沥青在多孔材料中的吸附特性和高温收缩特性，获得了具有类石墨结构的含SiO_x石墨复合物。而且多组分碳材料的协同效应可以有效地解决高性能锂离子电池中硅基负极的缺点，尤其在形成稳定的SEI膜，维持电极材料结构的完整性，提高SiO_X电极的导电性等方面具有显著优势。本工作中制备的SiO_x/C负极表现出优异的循环稳定性和倍率性能，在0.5C电流密度下循环500圈后其容量保持率仍有90％。即使在高压实密度下，由于电极材料的高振实密度和结构完整性，SiO_x/C负极仍旧表现出高的可逆容量和优异的循环性能。

【图文导读】

图一形貌表征

a）SiO_X/C水凝胶的合成过程示意图；

b）人造石墨，c）砂磨工艺后的人造石墨（FG），d）SiO_X颗粒，e）SiO_X/GO，f）SiO_X/GO/FG，g）SiO_X/C的SEM图像。

合成过程注释：将SiO_x颗粒分散在氧化石墨烯（GO）水溶液中，然后与片状石墨混合，在壳聚糖水溶液中形成均匀的SiO_X/GO/石墨（FG）悬浮液。离心后，获得SiOx/GO/FG复合材料，将其进一步浸泡在乳化沥青水溶液中即可生成SiOx/C水凝胶。

图二a）N₂吸附-解吸附等温曲线；b）SiO_X/GO，SiO_X/GO/FG和SiO_X/C相应的孔尺寸分布曲线

图三人造石墨，煅烧后SiO_X颗粒，SiO_X/GO，SiO_X/GO/FG和SiO_X/C的a）XRD图谱和b）拉曼光谱

图四SiO_X/G，SiO_X/GO/FG，SiO_X/C负极的电化学性能

SiO_X/G，SiO_X/GO/FG，SiO_X/C负极：a）首圈充电-放电曲线，b）库伦效率；

SiO_X/C负极负载量为3.5 mg cm^-2时：c）循环稳定性，d）倍率性能；

e）SiO_X/G和SiO_X/C负极在压实密度为1.3 g cm^-3时的循环稳定性。

图五循环前后电极的形貌变化

SiO_X/G和SiO_X/C负极负载量3 mg cm^-2时，a,e）循环前和b,f）循环100周期后的SEM图；

SiO_X/G和SiO_X/C负极压实密度为1.3 g cm^-3时，c,g）循环前和d,h）循环100周期后的SEM图。（标尺均为20 μm）

【小结】

含硅基材料的石墨复合负极材料，作为高性能锂离子电池实际应用中最有希望的替代品之一，引起了研究者们广泛的关注。但是，石墨表面的硅基材料负载量有限以及硅基材料固有的缺点会导致其电化学性能不理想。本工作开发出一种新颖而简便的制备方法来合成高性能的SiO_X/C复合材料，其中SiO_X颗粒通过剥离和恢复人造石墨的原始结构的策略而分散和锚定在碳材料中。通过有效的合成方法和优化结构设计，含SiO_X石墨负极材料的不足得到了成功的解决。制备的具有类石墨结构的SiO_X/C负极在高负载量下，展现出优异的电化学性能，尤其是在库伦效率、循环稳定性和倍率性能等方面表现出色；此外，SiO_X/C负极在高压实密度下仍然具有优异的循环性能。SiO_X/C材料的优异电化学性能归因于其类石墨结构和多组分碳材料的合理设计，这为解决其他同样具有导电性差和体积变化大缺陷的负极材料提供了新的发展方法。

文献链接：Facile Synthesis of Blocky SiO_X/C with Graphite-Like Structure for High-Performance Lithium-Ion Battery Anodes（Adv. Funct. Mater. 2018, DOI: 10.1002/adfm.201705235）

第一作者简介

徐泉 博士研究生 研究方向：锂离子电池硅基负极材料

通讯作者简介

郭玉国男，中国科学院化学研究所研究员，中国科学院大学岗位教授，博士生导师，中科院分子纳米结构与纳米技术重点实验室副主任，“国家杰出青年基金”获得者，滚球体育 部中青年滚球体育 创新领军人才，“国家重点研发计划”首席科学家，美国化学会期刊ACS Applied Materials & Interfaces的副主编。研究工作主要集中在能源电化学领域的锂离子电池和下一代高能量密度二次电池，系统开展了研究工作，研制出多种新型电极材料和固体电解质，揭示了几种新型二次电池体系的电化学反应机理，实现了高性能电极材料的规模化制备和应用。在Nat. Mater.、Nat. Commun.、Acc. Chem. Res.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Energy Environ. Sci.等期刊上发表SCI论文200余篇，其中有50多篇发表在上述IF>10的期刊上，发表论文被他人SCI引用18000多次，目前SCI上的h-index为68。2014-2017连续四年被Clarivate Analytics（原Thomson Reuters）评选为全球“高被引科学家”。申请国际PCT专利12项，中国发明专利62项，获授权发明专利28项。课题组网站：http://mnn.iccas.ac.cn/guoyuguo/

殷雅侠 女，中国科学院化学研究所 副研究员

主要从事锂离子电池、锂硫电池、钠离子电池、镁二次电池电极材料方面的研究工作，在Nat. Comm., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., JACS, Energy Environ. Sci., Adv. Energy Mater.等国际期刊发表SCI论文80余篇。

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