1引言

　　高級(jí)通訊設(shè)備和電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域日益增長(zhǎng)的能源需求使得高能量密度鋰離子電池的研制引起了巨大關(guān)注。硅基材料由于具有超高的比容量、大儲(chǔ)量以及相對(duì)低的鋰嵌入電位，可用作下一代鋰離子電池負(fù)極。然而，在連續(xù)嵌鋰和脫鋰過(guò)程中體積的顯著變化（》 300 %）會(huì)造成活性材料的破碎和脫落，進(jìn)而引起嚴(yán)重的容量衰減。很多研究表明，通過(guò)引入石墨烯等某些碳材料得到的硅-碳復(fù)合物，可以呈現(xiàn)出碳的很多優(yōu)良特性（比如電導(dǎo)性和機(jī)械靈活性），從而可以有效解決這個(gè)問(wèn)題。

　　2成果簡(jiǎn)介

　　最近，北京大學(xué)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(wěn)定的鋰離子電池負(fù)極并擁有高比容量。在一氧化硅（SiO）微粒表面通過(guò)化學(xué)氣相沉積方法垂直生長(zhǎng)的石墨烯不僅可以顯著增強(qiáng)微粒的導(dǎo)電性能，還能為鋰離子提供大量的傳輸通道。研究發(fā)現(xiàn)，即使在高負(fù)載（1.5 mg/cm2）情況下，獲得的復(fù)合材料仍然有很好的穩(wěn)定性（100圈，保持率93%），容量高達(dá)1600 mA h/g。本成果以“VerTIcal Graphene Growth on SiO MicroparTIcles for Stable Lithium Ion Battery Anodes ” 為題于5月4號(hào)發(fā)表在期刊Nano Letter上。

　　3圖文導(dǎo)讀

　　機(jī)理圖1. 垂直石墨烯包裹硅基微粒的設(shè)計(jì)

　　a、連續(xù)電池循環(huán)過(guò)程中體積變化引起的硅基電極電絕緣。

　　b、在電池循環(huán)過(guò)程中，表面覆蓋的垂直石墨烯可以在一氧化硅微粒之間提供穩(wěn)定的導(dǎo)電連接。

　　圖1. 一氧化硅微粒上的垂直石墨烯生長(zhǎng)

　?。╝-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。

　?。╟）三角形垂直石墨烯薄膜的高分辨率TEM 圖像，內(nèi)圖是標(biāo)注區(qū)域的剖面圖。

　?。╠）d-SiO@vG 微粒的拉曼譜圖。

　?。╡-f）d-SiO@vG 微粒與SiO 微粒的XPS譜圖中Si 2p 峰部分以及d-SiO@vG 微粒的C 1s XPS譜圖。

　　升溫過(guò)程中，一氧化硅表面發(fā)生歧化反應(yīng)得到的二氧化硅可以為石墨烯的生長(zhǎng)提供催化位點(diǎn)。從拉曼圖譜上可以看出有石墨烯的特征峰（D： ~1359 cm-1， G： ~2699 cm-1， 2D： ~2690 cm-1）。XPS譜圖表明復(fù)合微粒的表面主要是無(wú)定形二氧化硅。結(jié)構(gòu)中有C-O鍵而無(wú)C-Si鍵，說(shuō)明氧在石墨烯生長(zhǎng)中起重要作用。

　　圖2. d-SiO@vG 微粒的導(dǎo)電性能測(cè)試

　　（a）光學(xué)顯微鏡下用于微粒電流-電壓測(cè)試的電路。

　?。╞）單個(gè)SiO粒子、單個(gè)d-SiO@vG粒子及多個(gè)互聯(lián)d-SiO@vG 粒子的I-V 曲線。

　　（c）活性材料之間導(dǎo)電接觸不同形式的示意圖。

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

　　當(dāng)一氧化硅微粒被約2.5 wt %的石墨烯包裹時(shí)，電阻從~4.0 &TImes; 1012 Ω降到~3.1&TImes; 104 Ω，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(yáng)極的電化學(xué)性能

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

　　（b）掃描前后d-SiO@vG電極的奈奎斯特曲線。

　?。╟）在160 mA g-1電流密度下的充放電性能。

　?。╠）在 320 mA g-1電流密度下的d-SiO電極與d-SiO@vG電極的比容量和循環(huán)效率。

　　第一圈循環(huán)伏安曲線在0.65 V處有一個(gè)峰，表明有固體電解質(zhì)膜形成，這導(dǎo)致了電荷傳輸電阻增大，但掃描十圈之后數(shù)值基本保持不變。固體電解質(zhì)膜和石墨烯的存在增大了微粒的比表面積 （從3 m2/g to 12 m2/g），從而提高了充放電容量。同時(shí)，垂直石墨烯包裹還改善了電極的循環(huán)性能。

　　圖4. 嵌鋰過(guò)程中d-SiO@vG粒子的原位TEM表征

　?。╝-b）用于原位嵌鋰測(cè)試的納米電化學(xué)裝置的示意圖及TEM 圖像。

　?。╟-d）嵌鋰之前和之后的d-SiO@vG粒子圖像。

　?。╡-f）分別對(duì)應(yīng)圖c和d中標(biāo)出區(qū)域的石墨烯修飾層的表面形貌。

　　嵌鋰之后，復(fù)合微粒的長(zhǎng)度約增大了15%，而同樣情況下，沒(méi)有修飾的一氧化硅微粒會(huì)增大200 %。高倍鏡照片顯示，微粒膨脹前后石墨烯基本保持不變，說(shuō)明它可以提供穩(wěn)定的導(dǎo)電通路。

　　圖5. d-SiO@vG/石墨-NCA全電池性能測(cè)試

　?。╝）用d-SiO@vG/石墨作負(fù)極，NCA作正極組裝的18650型全電池照片。

　?。╞）從5 C到5 C不同充電倍率下的組裝電池倍率性能。

　　（c）組裝的全電池在5 C / 1 C 充放電倍率下的循環(huán)性能。