中科院長春應化所AFM: 通過球磨TiO2剝離石墨構建石墨烯修飾的SiOx基負極

【引言】

石墨烯由于其獨特的物理化學性質在過去的二十年里成為了最受關注的材料之一，并在材料科學，催化，光學，傳感器，能量存儲和轉換等領域中得到了廣泛的研究及應用。目前，研究者們已經開發了許多方法用于制備石墨烯，包括經典的Hummers方法，化學氣相沉積和機械剝離等。其中，球磨、微機械剝離或超聲等策略由于其過程簡易和產率高的特點，使石墨烯的制備更易放大生產。在本文中，作者發現通過將石墨與TiO₂共混球磨，可以有效地將石墨剝落成多層石墨烯(MLG)。基于此方法，可以輕松地合成各種石墨烯改性材料。

【成果簡介】

近日，中科院長春應化所明軍研究員首次報道了TiO₂納米粒子在剝落石墨中的獨特作用，可以通過簡易的球磨方法有效地從石墨中制備出石墨烯改性的SiO_x基負極。所制備的SiO_x/TiO₂@ MLG可以提供1484 mAh g^-1的高可逆容量，并在2 A g^-1的電流密度下穩定循環1200次。通過與高鎳正極匹配組裝成的全電池也展示出優異的循環穩定性，這證實SiO_x/TiO₂@ MLG LIB的實用性。相關研究成果“Unraveling Metal Oxide Role in Exfoliating Graphite: New Strategy to Construct High-Performance Graphene-Modified SiO_x-Based Anode for Lithium-Ion Batteries”為題發表在Advanced Functional Materials上。

【圖文導讀】

圖一 MLG的物相表征和合成示意圖。

（a）SiO₂/G，Co₃O₄/G，TiO2 @ MLG和MLG樣品的XRD圖譜。

（b）原始石墨的SEM圖像。

（c，d）MLG的SEM和TEM圖像。

（e）不同金屬氧化物剝落過程的示意圖。

圖二 SiO_x/TiO₂ @ MLG的合成過程與表征。

（a）SiO_x/TiO₂@MLG的剝離和自組裝涂層工藝的示意圖。

（b，c）SiO_x/TiO₂@MLG的SEM和HRTEM圖像。

（d-g）SiO_x/TiO₂@MLG的TEM/EDX映射圖像。

圖三 SiO_x基材料的表征。

（a）SiO_x/G，SiO_x/SiO₂/G，SiOx/Co₃O₄/G和SiO_x/TiO₂@MLG的XRD譜圖。

（b，c）SiO_x/G和SiO_x/TiO₂@MLG的拉曼光譜和XPS。

（d）SiO_x/TiO₂ @ MLG的孔徑分布圖。

圖四 儲鋰電化學性能表征

（a）CV曲線。

（b）電流密度為0.1 A g^-1時SiO_x/G和SiO_x/TiO₂@MLG的電壓與容量曲線。

（c）在電流密度為0.5 A g^-1時，SiO_x/G，SiO_x/SiO₂/G，SiOx/Co₃O₄/G和SiO_x/TiO₂@MLG的循環性能對比。

（d，e）SiO_x/TiO₂@MLG的倍率性能及對應的充放電曲線

（f）SiO_x/TiO₂@MLG在2 A g^-1的電流密度下的長循環性能。

圖五 反應動力學分析

（a）SiO_x/TiO₂@MLG 和b）SiO_x/G在0.1至1mV s^-1的不同掃描速率下的循環伏安曲線。

（c）峰值電流與掃描速率平方根的擬合曲線。

（d）SiO_x/TiO₂@MLG和e）SiO_x/G電池在不同放電深度下的HPPC比較。

（f）原始SiO_x/TiO₂@MLG和SiO_x/G的EIS譜圖。

圖六 SiO_x/TiO₂@MLG | LiNi_0.6Co_0.2Mn_0.2O₂全電池的電化學性能

（a）全電池示意圖。

（b）全電池的循環伏安曲線。

（c）在0.5下的不同循環的充放電曲線。

（d，e）全電池循環性能與倍率性能。

【小結】

總之，作者首次發現了TiO₂獨特的作用，可以有效地將石墨剝落成多層石墨烯。這種獨特的方法可用于制備LIBs中的石墨烯改性的SiO_x基負極材料，通過TiO₂原位剝落石墨成為MLG，然后MLG可以均勻地包覆SiO_x以構建SiO_x/TiO₂@MLG復合材料。并在鋰離子電池中證實了SiO_x/TiO₂@MLG的高儲鋰容量和循環穩定性。此外，提出的SiO_x/TiO₂@MLG | NCM622全電池的能量密度有望超過300Wh kg^-1。這種通用策略可以用于設計不同領域的各種功能性材料。

文獻鏈接：“Unraveling Metal Oxide Role in Exfoliating Graphite: New Strategy to Construct High-Performance Graphene-Modified SiO_x-Based Anode for Lithium-Ion Batteries”(DOI: 10.1002/adfm.201910657)

本文由材料人微觀世界編譯供稿，材料牛整理編輯。

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