上海交大《ACS AMI》:石墨烯/硅混合纤维,用于无粘合剂且自支撑的高性能锂离子电池
来源:morion日期:2021-06-18 浏览:988次

成果简介


高容量硅 (Si) 被公认为高性能锂离子电池 (LIB) 的潜在负极材料。但是,放电/充电过程中的大体积膨胀阻碍了其面积容量。本文,上海交通大学微纳米科学技术研究院张亚非教授课题组在《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊发表名为“Binder-Free, Flexible, and Self-Standing Non-Woven Fabric Anodes Based on Graphene/Si Hybrid Fibers for High-Performance Li-Ion Batteries”的论文, 研究设计了一个柔性石墨烯纤维织物(GFF)为基础的三维导电网络,形成无粘合剂且自支撑的高性能锂离子电池的硅负极。


Si 颗粒被牢固地包裹在石墨烯纤维。起皱引起的大量空隙石墨烯在纤维中能够有效地适应锂化/脱锂过程中硅的体积变化。GFF/Si-37.5% 电极在 100 次循环后在0.4 mA cm –2的电流密度下表现出优异的循环性能,比容量为 920 mA hg –1。此外,GFF/Si-29.1% 电极在 400 次循环后在0.4 mA cm –2的电流密度下表现出 580 mA hg –1的优异可逆容量。GFF/Si-29.1% 电极的容量保持率高达 96.5%。更重要的是,质量负载为 13.75 mg cm –2的 GFF/Si-37.5% 电极实现了 14.3 mA h cm –2的高面积容量,其性能优于报道的自支撑 Si 阳极。这项工作为实现用于高能 LIB 的无粘合剂、柔性和自立式 Si 阳极提供了机会。

图文导读



图 1. (a) 自立式 GFF/Si - X电极制造过程示意图。(b)醋酸溶剂中的 GOF/Si、(c)GOFF/Si 和(d)GFF/Si- X 的数码照片,揭示了其柔韧性。(e) GFF/Si-37.5% 电极冲压成面积为 1.12 cm 2 的小圆盘。



图 2. (a) GFF/Si-37.5% 低倍率的 SEM 图像和 (b) 部分放大的 SEM 图像,揭示了两个独立的纤维在两者相遇的点合并为一个。(c,d) GFF/Si-37.5% 表面和横截面的 SEM 图像。



图 3. GFF/Si- X电极在 0.4 mA cm –2电流密度下的电化学特性;所有比容量均以自立式电极的总质量为基础计算。(a) 第一次循环充电/放电电压曲线。(b) ICE 的比较分析。(c) 循环性能比较。(d) GFF/Si-37.5% 电极在 0.2 mV s –1扫描速率下的CV 测量值。(e) GFF/Si-37.5% 的倍率性能。(f) 具有不同阳极重量的 GFF/Si-37.5% 电极的面积容量


图 4. GFF/Si-HI、GFF/Si-37.5% 和 GFF/Si-800 °C 电极的循环性能比较



图 5. GFF/Si-HI、GFF/Si-37.5% 和 GFF/Si-800 °C 的成分分析:(a) XRD 图,(b) 拉曼光谱,(c) GFF/Si-的 TGA 曲线N 2气氛中的HI ,和 (d) FT-IR 光谱。



图 6. (a,b) GFF/Si-37.5% 电极在循环前后的拉曼光谱和 XRD 图案。GFF/Si-37.5% 电极在 100 次放电/充电循环后的形态研究:(c,d) 锂化/脱锂后低倍和高倍率的 SEM 图像;插图是循环后 GFF/Si-37.5% 电极的数码照片;(e,f) TEM 和 HRTEM 图像;插图是低倍放大的 SAED 图像;(g) 元素映射。


小 结


在这项研究中,基于 GFF 的 3D 导电网络被设计用于无粘合剂和自立式 Si 阳极。GFF 结构在放电/充电循环期间成功地抑制了 Si 的体积膨胀。提出了一种新策略,用于制造用于高性能 LIB 的无粘合剂、柔性和自立式 Si 阳极。


文献:https://doi.org/10.1021/acsami.1c04277




新闻来源:https://mp.weixin.qq.com/s/p0SAn7R0n8hGwTMk6EZ2TQ