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具有增强反应动力学的SiOC负极应用性研究

时间：2023-07-05 来源：浏览：

具有增强反应动力学的SiOC负极应用性研究

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【研究背景】

硅氧碳（SiOC）因其理论比容量高、体积膨胀小、生产成本低和化学组分可调等优点引起了许多研究人员的兴趣。尽管大量的研究和理论计算证明了SiOC在锂离子电池中的应用潜力，但其固有的低电导率和不可控的储锂四面体结构单元仍然阻碍着其实际应用。近年来，研究人员致力于提高SiOC的导电性，例如使用富含碳的有机硅烷前驱体，掺杂N，S元素，与导电材料（石墨烯、碳纳米管等）复合等，尽管取得了一些进展，但是SiOC的发展仍然非常缓慢。这主要是因为生产工艺的高成本和复杂性导致难以实现大规模的实际应用。因此，通过低成本和简单的方式构建SiOC的均匀导电组分来有效增强储锂反应动力学仍然是一个巨大的挑战。

【工作介绍】

近日，武汉科技大学雷文/张海军和中国科学院成都有机化学研究所谢正伟等人成功合成了一种类红毛丹状垂直石墨烯包覆的中空多孔SiOC（Hp-SiOC@VG）球形颗粒，并将其用作锂离子电池负极材料。该材料具有优异的倍率性能、长循环稳定性以及快速的锂离子扩散动力学。研究成果以“ On the Practical Applicability of Rambutan-like SiOC Anode with Enhanced Reaction Kinetics for Lithium Ion Storage”为题发表在国际顶级期刊 Advanced Function Materials 上。武汉科技大学博士研究生李可琢为本文第一作者。

【内容表述】

首次提出一种简单的水热处理结合甲烷热解策略，成功制备了类红毛丹状垂直石墨烯包覆的空心多孔SiOC（Hp-SiOC@VG）球形颗粒。这种精心设计的结构赋予Hp-SiOC@VG负极高的可逆比容量，优异的循环稳定性和高倍率能力。Hp-SiOC@VG作为锂离子电池负极具有突出的实际应用潜力。

图1 Hp-SiOC@VG的合成过程示意图

图2 Hp-SiOC和Hp-SiOC@VG样品的(a, d) TEM, (b, e) HRTEM, (c, f) EDS面分布图, (g) Hp-PSO, Hp-SiOC和Hp-SiOC@VG样品的N ₂ 吸附-脱吸等温线图

图3 Hp-SiOC和Hp-SiOC@VG样品的(a)TG曲线图, (b, c)拉曼光谱, (d) XPS蚀刻示意图, (e-g) Hp-SiOC@VG样品不同蚀刻深度的Si 2p的高分辨率XPS光谱

图4 Hp-SiOC@VG和Hp-SiOC负极的(a, b) 0.1 mV s ^-1 的CV曲线; (c, d) 0.1 A g ^-1 的前三圈恒电流充放电曲线; (e, f) 倍率性能, (g) Hp-SiOC@VG负极与其他SiOC基负极材料的倍率性能对比; (h) 1.0 A g ^-1 下的循环性能, (i) Hp-SiOC@VG负极与其他SiOC基负极材料的循环性能对比

图5 Hp-SiOC@VG和Hp-SiOC负极的(a, b) 0.1到1.0 mV s ^-1 的CV曲线; (c)峰值电流与扫速的关系; (d) 扩散和电容控制容量的贡献比; (e-h) 原位EIS图谱; (i) 循环300圈后的奈奎斯特图; (j) Z’与ω ^-1/2 的关系曲线; (k) GTT电压曲线; (l) Li ⁺ 扩散系数

图6 Hp-SiOC@VG电极(a)在第一次锂化和脱锂中不同电位下的原位拉曼光谱; (b) 不同电位下生长在Hp-SiOC@VG表面上的石墨烯锂化示意图, (c) 不同电位下G波段的拉曼光谱, (d) G波段的拉曼位移演变; (e) 在1.0 A g ^-1 下循环600次后的TEM图, (f) HRTEM, (g) EDS面分布图; (h) Si 2p的XPS光谱; (i) 单个Li原子在SiOC ₃ , SiO ₂ C ₂ 和SiO ₃ C结构中不同位点上的平均吸附能, (j) Li原子吸附在SiO ₃ C上的差分电荷密度, (k) 通过Bader电荷计算得到SiO ₃ C结构中C,O和Si原子的平均电荷转移数

图7 使用LFP为阴极材料的全电池性能: (a) Hp-SiOC@VG负极和其他负极材料的质量能量密度对比; (b) 300 mg粉末振实密度的对比; (c) Hp-SiOC@VG//LFP全电池的示意图; (d) 恒电流充电/放电曲线; (e) 0.2 A g ^-1 下的循环性能; (f) 倍率性能(插图: 由两个组装的全电池点亮的LED 器件的光学照片) ; (g) 软包电池点亮47 个发光二极管的光学照片

【结论】

作者成功开发出一种简便的制备无模板空心多孔SiOC材料的新途径，且其表面可原位生长出石墨烯包覆层以增强SiOC阳极的储锂动力学。该研究不仅克服了常规SiOC材料的制备复杂性，而且克服了SiOC掺杂碳材料的改性局限性，拓宽了SiOC基材料在储能器件中的实际应用。

Kezhuo Li, Gaoqian Yuan, Xuefeng Liu, Yan Guo, Ren Huang, Hang Li, Haijun Zhang*, Quanli Jia, Zhengwei Xie*, Shaowei Zhang, Wen Lei*, On the Practical Applicability of Rambutan-like SiOC Anode with Enhanced Reaction Kinetics for Lithium Ion Storage, Advanced Functional Materials , 2023.

https://doi.org/10.1002/adfm.202302348

作者简介

李可琢 2018年毕业于辽宁科技大学材料科学与工程专业，获学士学位。她目前在武汉科技大学攻读材料科学与工程博士学位。主要研究方向为SiOC纳米结构的设计与合成，及其用于电化学能源存储与转换。

雷文，武汉科技大学副教授，湖北省“楚天学子”，澳门青年学者。主要研究方向为先进功能材料和新能源器件，主持国家自然科学基金、湖北省自然科学基金等项目。以第一作者或通讯作者在Energy Environ. Sci., Mater. Today, Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater等期刊发表论文50余篇，被引4000余次，H值为37。担任国家自然科学基金通讯评审专家及Nature Communications、Advanced Materials等数十个期刊审稿人。

张海军武汉科技大学教授，博士生导师。2001年至2007年在郑州大学工作，先后被破格遴选为副教授、教授，期间获得河南省杰出青年科学基金。2011年至今任武汉科技大学省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室“楚天学者”特聘教授，入选湖北省自然科学基金创新群体、湖北省高等学校优秀中青年科技创新团队、武汉市黄鹤英才计划，获得湖北省有突出贡献中青年专家及第六届中国金属学会青年冶金先进工作者等荣誉称号。在包括“Nature Materials”、“Advanced Materials”及“Angewandte Chemie International Edition”在内的国内外刊物上发表学术论文400余篇，获省部级科技进步奖10余项，授权、申请国家发明专利50余项，出版学术专著3部，主持或参加国家、省部级科研项目30余项。

谢正伟博士，副研究员。2016年毕业于中国科学院成都有机化学研究所，取得博士学位。毕业后留所从事新能源材料与器件相关的研发工作。研究方向主要包括石墨烯、硅负极等新型材料以及锂离子电池、超级电容器等器件的研发。已在Journal of Power Sources、Electrochimica Acta等著名期刊发表SCI论文30余篇，申请发明专利20项。作为学术骨干多次受邀在行业学术会议和论坛作电动汽车以及锂电材料方面的学术报告；四川省青年科技联合会会员，省科技厅、教育厅评审专家，担任Electrochimica Acta等十余家杂志的审稿人。