上海交大：石墨烯矽混合纖維，用於高效能鋰離子電池

成果簡介

高容量矽 （Si） 被公認為高效能鋰離子電池 （LIB） 的潛在負極材料。但是，放電/充電過程中的大體積膨脹阻礙了其面積容量。

本文，上海交通大學微奈米科學技術研究院張亞非教授課題組在《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊

發表名為“Binder-Free， Flexible， and Self-Standing Non-Woven Fabric Anodes Based on Graphene/Si Hybrid Fibers for High-Performance Li-Ion Batteries”的論文，

研究設計了一個柔性石墨烯纖維織物（GFF）為基礎的三維導電網路，形成無粘合劑且自支撐的高效能鋰離子電池的矽負極。

Si 顆粒被牢固地包裹在石墨烯纖維。起皺引起的大量空隙石墨烯在纖維中能夠有效地適應鋰化/脫鋰過程中矽的體積變化。GFF/Si-37。5% 電極在 100 次迴圈後在0。4 mA cm –2的電流密度下表現出優異的迴圈效能，比容量為 920 mA hg –1。此外，GFF/Si-29。1% 電極在 400 次迴圈後在0。4 mA cm –2的電流密度下表現出 580 mA hg –1的優異可逆容量。GFF/Si-29。1% 電極的容量保持率高達 96。5%。更重要的是，質量負載為 13。75 mg cm –2的 GFF/Si-37。5% 電極實現了 14。3 mA h cm –2的高面積容量，其效能優於報道的自支撐 Si 陽極。這項工作為實現用於高能 LIB 的無粘合劑、柔性和自立式 Si 陽極提供了機會。

圖文導讀

圖 1。 （a） 自立式 GFF/Si - X電極製造過程示意圖。（b）醋酸溶劑中的 GOF/Si、（c）GOFF/Si 和（d）GFF/Si- X 的數碼照片，揭示了其柔韌性。（e） GFF/Si-37。5% 電極衝壓成面積為 1。12 cm 2 的小圓盤。

圖 2。 （a） GFF/Si-37。5% 低倍率的 SEM 影象和 （b） 部分放大的 SEM 影象，揭示了兩個獨立的纖維在兩者相遇的點合併為一個。（c，d） GFF/Si-37。5% 表面和橫截面的 SEM 影象。

圖 3。 GFF/Si- X電極在 0。4 mA cm –2電流密度下的電化學特性；所有比容量均以自立式電極的總質量為基礎計算。（a） 第一次迴圈充電/放電電壓曲線。（b） ICE 的比較分析。（c） 迴圈效能比較。（d） GFF/Si-37。5% 電極在 0。2 mV s –1掃描速率下的CV 測量值。（e） GFF/Si-37。5% 的倍率效能。（f） 具有不同陽極重量的 GFF/Si-37。5% 電極的面積容量

圖 4。 GFF/Si-HI、GFF/Si-37。5% 和 GFF/Si-800 °C 電極的迴圈效能比較

圖 5。 GFF/Si-HI、GFF/Si-37。5% 和 GFF/Si-800 °C 的成分分析：（a） XRD 圖，（b） 拉曼光譜，（c） GFF/Si-的 TGA 曲線N 2氣氛中的HI ，和 （d） FT-IR 光譜。

圖 6。 （a，b） GFF/Si-37。5% 電極在迴圈前後的拉曼光譜和 XRD 圖案。GFF/Si-37。5% 電極在 100 次放電/充電迴圈後的形態研究：（c，d） 鋰化/脫鋰後低倍和高倍率的 SEM 影象；插圖是迴圈後 GFF/Si-37。5% 電極的數碼照片；（e，f） TEM 和 HRTEM 影象；插圖是低倍放大的 SAED 影象；（g） 元素對映。

小結

在這項研究中，基於 GFF 的 3D 導電網路被設計用於無粘合劑和自立式 Si 陽極。GFF 結構在放電/充電迴圈期間成功地抑制了 Si 的體積膨脹。提出了一種新策略，用於製造用於高效能 LIB 的無粘合劑、柔性和自立式 Si 陽極。

文獻：

https：//doi。org/10。1021/acsami。1c04277