石墨烯與硅基、錫基材料復合
石墨烯與硅基、錫基材料復合
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,電極材料體積變化明顯,反復充放電后電極材料容易粉化脫落,從而降低電池容量。
對于SnO2來說,碳納米材料的報復可有效解決其體積膨脹的問題,且阻止材料納米顆粒團聚的同時提高了材料導電性,從而發揮出高容量的潛能。例如石墨烯包覆夾層結構SnO2材料[5],其獨特的“三明治”結構提高了電極材料的穩定性且能最大化利用SnO2分子的比表面積,避免了SnO2分子的團聚,緩解了體積膨脹。石墨烯夾層的引入加強了納米分子間的相互聯系,從而避免了導電添加劑和粘結劑的使用。石墨烯/SnO2球狀顆粒復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%。
硅基類材料的理論比容量高達4200 mAh/g,其較低的放電電壓平臺,高自然儲量,使其成為具有極好應用前景的負極材料。但其在充放電過程中體積效應嚴重,造成材料的循環穩定性差。同錫基材料類似,石墨烯的引入可有效控制硅基材料的體積膨脹,使Si 負極材料倍率性能得到一定的改善。
石墨烯包覆納米硅(GS-Si)復合材料不僅容量高,而且具有較好的循環性能。從其掃描電鏡及透射電鏡圖中可以看到,石墨烯構成具有內部空腔的三維立體導電網絡,將硅粉很好地包裹在其內部空腔內。該材料在200 mA/g 電流密度下進行恒流充放電測試,30次循環后容量仍能保持在1502 mAh/g,容量保持率高達98%[6]。
但石墨烯材料的化學惰性使得其與Si基材料之間的作用力很弱,在經過數次的充放電循環后,Si-C結構會出現了粉化和崩塌。有研究發現石墨烯中那些由于晶體生長、高能粒子轟擊或化學處理所產生的單空位缺陷、雙空位缺陷以及Stone-Wales 缺陷可以大幅度提高石墨烯/Si分子間的結合能,使復合材料的穩定性更好??桃獾刂圃爝@類缺陷會提高石墨烯材料與Si之間的結合力,而且空位缺陷可以提供額外的儲鋰活性位點,從而更好地提高電極材料的容量。另一種解決這一問題的方法是在Si分子、石墨烯片層間生長納米碳,這種方式使得石墨烯納米片和Si 基間搭建了穩定的導電橋梁,這種穩定的導電網絡結構既減少了Li+嵌入、脫出過程中產生的體積效應,避免電極材料的破碎,又保持了SEI 膜的穩定性,在充放電過程中避免了過高的容量衰減,對Si基材料容量的提高有很大幫助。
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