中科院化學所Adv. Mater.：低溫生長全碳石墨炔改進硅負極鋰離子存儲性能

【引言】

Si負極材料是鋰離子電池中，理論儲鋰能量較高的鋰離子負極材料之一，其理論容量可達到4000 mAh g^-1以上。但是，Si負極材料儲鋰時，容易發生體積膨脹，導致電極粉化，電池容量急劇下降。目前，對于減少Si負極的體積膨脹對電極材料的影響，提高Si負極復合材料中的空隙體積，緩解容量急劇降低，提高Si負極電池的循環壽命等問題，是該領域亟待解決的重大問題。

【成果簡介】

碳材料對于改進高能量密度硅負極關鍵性能具有重要作用。近日，中國科學院化學研究所李玉良院士研究團隊結合石墨炔天然的低溫生長優勢，在室溫下，實現了在硅負極上原位生長超薄的二維全碳石墨炔保護層。這種在硅負極上原位構筑全碳材料保護層的方式是其他碳材料所不能實現的，具有重要的基礎和應用價值。研究人員直接在硅負極上構筑了具有優異機械性能和電導性能的三維石墨炔全碳網絡，電極組件之間形成了牢固的全碳界面接觸。該方法高效地抑制了循環過程中硅負極巨大體積變化導致的導電網絡和電極界面的破壞，充分的發揮了硅負極的高比容量優勢，在0.2 A g^-1時比容量達到4122 mAh g^-1，面積比容量高達4.72 mAh cm^-2。在2 A g^-1下，循環1450次后，比容量仍然能夠保持1503 mAh g^-1。此外，這種策略在解決其他高能量密度負極的問題時，顯示出巨大的應用潛力。相關成果以“Low-Temperature Growth of All-Carbon Graphdiyne on a Silicon Anode for High-Performance Lithium-Ion Batteries”為題發表在Advanced Materials上。

【圖文導讀】

圖 1 Si負極上GDY的表征及合成示意圖

（a）在Si負極上，原位編織超薄石墨炔納米片導電網絡的過程示意圖；

（b）超薄石墨炔，SiNPs和CuNWs之間相互作用的結構示意圖；

（c）石墨炔的XRD譜圖；

（d）石墨炔的拉曼譜圖；

（e）石墨炔的XPS譜圖。

圖 2 原位編制網狀石墨炔前后的SEM對比圖

（a，b）FPCuSi編織石墨炔前的SEM圖像；

（c，d）FPCuSi編織石墨炔后的SEM圖像；

（e，f）FPCuSi編織石墨炔后的截面SEM圖像。

圖 3 石墨炔納米片和SiNP之間的結構表征圖

（a）石墨炔負載Si的TEM圖像；

（b）超薄石墨炔納米片的高分辨TEM圖像；

（c）SiNP上的無縫隙涂層TEM圖像；

（d）石墨炔納米片和SiNP連接處的高分辨TEM圖像；

（e）兩個SiNP界面處的高分辨TEM圖像；

（f）石墨炔納米片和CuNWs連接處的高分辨TEM圖像；

（g）是（a）圖像中的元素分布圖。

圖 4 SiNPs的電化學表征圖

（a）在0.3mVs-1下，SiNPs的前4圈CV曲線圖；

（b）不同電流密度下，SiNPs的充放電曲線圖；

（c）SiNPs的倍率性能圖；

（d）在2 A g^-1下，SiNPs的循環壽命圖；

（e）在5 A g^-1下，SiNPs的循環壽命圖；

（f）在1 A g^-1和4 A g^-1下，SiNPs的循環壽命圖；

（g）在2 A g^-1循環200圈前后的阻抗圖；

（h）不同Si負極的性能比較圖。

圖 5 CV測試前后，SiNPs的結構演變圖

（a）在2 A g-¹下，循環100圈，SiNPs的表面SEM圖像；

（b）在2 A g^-1下，循環100圈，SiNPs的截面SEM圖像；

（c）在2 A g^-1下，循環100圈，去除SEI膜后，SiNPs的SEM圖像；

（d）循環1450圈，去除SEI膜后，SiNPs的SEM圖像；

（e）循環1450圈，去除SEI膜后，SiNPs的TEM圖像；

（f）循環1450圈，去除SEI膜后，SiNPs的高分辨TEM圖像；

（g）是（e）圖中的元素分布圖；

（h-j）石墨炔修飾Si負極的機理示意圖。

圖 6 GDY納米片和SiNPs之間的連接示意圖

（a）吸附能變化和石墨炔納米片與Si聚體幾何單元的優化圖；

（b）Si和石墨炔的俯視圖；

（c）Si和石墨炔的左視圖。

【小結】

本文采用原位、超低溫方法，在Si負極上構建三維石墨炔導電網絡結構。研究了循環過程中，硅負極的界面接觸和體積變化。石墨炔網絡提高了Si負極的機械性能和導電性。在0.2 A g^-1時，其比容量高達4122 mAh g^-1。在2 A g^-1下，循環1450后能維持1503 mAh g^-1，循環中表現出優異的可逆性。這種策略對于提高錫，鍺和氧化的能量密度具有很高的借鑒意義。

文獻鏈接：Low-Temperature Growth of All-Carbon Graphdiyne on a Silicon Anode for High-Performance Lithium-Ion Batteries（Adv. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201801459）。

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