新型電極可增加鋰電池壽命

　　生活中有沒有一瞬間，你覺得科技落后的要命？！

　　是的，當(dāng)我們拆開我們這個時(shí)代水平最高的消費(fèi)級便攜式個人計(jì)算機(jī)之一——iPad的時(shí)候，一種無力感席卷全身，中間那一大塊占據(jù)了整個機(jī)器絕大多數(shù)體積的黑色的東西是什么？是電池！

　　當(dāng)震動馬達(dá)都可以做到如此精密的時(shí)候，是什么制約著電子產(chǎn)品朝著更加安全更加輕質(zhì)的發(fā)展？是電池！

　　Ipad的電池與震動馬達(dá)的明顯對比

　　為了替代傳統(tǒng)鋰電池，研究者注重開發(fā)循環(huán)性優(yōu)異的新型鋰離子電池，發(fā)現(xiàn)當(dāng)減小粒子尺寸和電極為納米結(jié)構(gòu)時(shí)，在鋰化和脫鋰過程中即使體積應(yīng)變大，電極仍可正常工作。也有研究者指出包覆類（核-殼）形貌電極材料在充放電循環(huán)過程中耗損程度低。但電極納米結(jié)構(gòu)材料出現(xiàn)新問題：低體積容量（低振實(shí)密度），高電阻特性，從而增加了制造成本，且因副反應(yīng)發(fā)生造成低庫侖效率。

　　針對以上問題，陽極復(fù)合材料能解決這些不足，以石墨烯為代表的基底復(fù)合型陽極材料，具有高導(dǎo)電性，高機(jī)械強(qiáng)度，與鋰活性成分連接能力強(qiáng)，鋰離子傳輸快等優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)有以下幾個方面：1、總電容電勢存在局限性。2、合成技術(shù)昂貴。3、首次循環(huán)損耗大，循環(huán)效率低。

　　近期，國外的Gurpreet Singh課題組從復(fù)合材料優(yōu)勢角度出發(fā)，合成了有序的、交叉性的、自立式大面積陽極復(fù)合材料，其成分為SiOC和還原氧化石墨烯（rGO）。這種陽極材料比報(bào)道的Si/C納米管具有更高的體積容量，氧化還原石墨烯片作為SiOC顆粒的基底材料，兩者結(jié)合表現(xiàn)出高電子傳輸通道、高循環(huán)性、高電流密度、結(jié)構(gòu)高度穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。另外彌補(bǔ)了其他類型鋰電池的缺陷，首次循環(huán)充電容量高（702 mA h g-1），穩(wěn)定的充電比容量大（543 mA h g-1），充電電流密度高（2400 mA g-1），更值得關(guān)注的是，這種復(fù)合陽極材料具有優(yōu)異的應(yīng)變失效特性（超過2%），這比單純的類紙狀還原氧化石墨烯失效特性大。

　　硅和石墨烯具有較高的理論承載力是很好的鋰電池負(fù)極材料，但其能量密度低、效率低、穩(wěn)定性差等問題限制了其實(shí)際應(yīng)用。在這里我們報(bào)告一個由碳氧化硅玻璃顆粒嵌入到化學(xué)改性的石墨烯矩陣中組成的自立式陽極材料。簡化的多孔氧化石墨烯矩陣被用作高效的電子傳輸體，是穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的集電器，它和非晶碳氧化硅共同使用能使鋰電池?fù)碛懈叩膸靷愋?。?020次循環(huán)中，紙電極的能量密度達(dá)到588mAhg-1，而沒有出現(xiàn)機(jī)械故障的跡象。

　　文章同時(shí)指出減少一些不必要的材料，如集電器或者聚合物粘結(jié)劑，從而產(chǎn)生高效的輕質(zhì)電池。

　　（a）TTCS（1，3，5，7-tetramethyl-1，3，5，7-tetravinylcyclotetrasiloxane）經(jīng)高溫分解后形成的碳氧化硅微粒的掃描電鏡圖樣。可以觀察到玻璃狀微粒是由亞微米大小的微粒構(gòu)成的。

　?。╞）X射線能譜表征的交聯(lián)TTCS和熱解的碳氧化硅。

　　（c）中是高倍X射線掃描下的碳氧化硅能譜。

　?。╢）碳氧化硅的拉曼光譜顯示的峰是石墨的特征（D1-峰： 1，350cm-1；G峰：1，590cm-1）

　?。╣）碳氧化硅和交聯(lián)狀TTCS的傅立葉變換紅外光譜（γ：拉伸震動模式；σ：彎曲震動模式）

　?。╤）熱解后的碳氧化硅微粒的原子結(jié)構(gòu)模型。

　?。╥）碳氧化硅和氧化石墨烯構(gòu)成的復(fù)合材料的透射電鏡圖樣。大的氧化石墨烯白點(diǎn)覆蓋在碳氧化硅表面。

　　（j）使用非晶形的碳氧化硅和重堆積的氧化石墨烯板材料帶有微弱的環(huán)狀圖案，由于其多晶性，相應(yīng)的透射電鏡選區(qū)電子衍射圖表現(xiàn)為多點(diǎn)模式。

　　（k）60SiOC的聚焦離子束橫斷面元素圖，Si、C、O分別用藍(lán)、紅、綠表示。

　?。╨）交聯(lián)TTCS、SiOC、GO和復(fù)合紙材料在熱處理前后的X射線衍射圖樣。

　?。╩） 氧化石墨烯紙和未經(jīng)退火紙的熱重分析圖線（在平滑的氣流中以每分鐘10攝氏度的速度從30攝氏度加熱到800）

　　電化學(xué)特征以及鋰存儲機(jī)理

　?。╝）當(dāng)進(jìn)行充放電循環(huán)時(shí)，電流密度以不對稱形式增加的情況下各種紙電極電荷容量和充電效率的圖樣。

　?。╞）rGO和60SiOC電極的長期循環(huán)表現(xiàn)在1600毫安時(shí)每克。970次循環(huán)后，當(dāng)電流密度降到100毫安時(shí)每克時(shí)電極表現(xiàn)出了不錯的恢復(fù)性能。插圖為rGO和60SiOC電極的掃面電鏡圖樣。

　?。╟）60SiOC電極的電壓曲線。

　?。╠）第1、第2、第1010次循環(huán)的不同容量曲線。

　?。╡）60SiOC在零度以下的循環(huán)表現(xiàn)。冷卻到零下15攝氏度時(shí)，電池顯示出了大約２００毫安時(shí)每克的的容量。當(dāng)溫度升至室溫，大約25攝氏度時(shí)，電池容量重新變?yōu)樵瓉淼?6%左右。

　?。╢）在碳氧化硅微粒中鋰或非鋰的原理圖。大多數(shù)的鋰分布在無規(guī)則的碳相中，這些碳相均勻的分布在SiOC不定型矩陣中。大的rGO片層作為高效的電子導(dǎo)體和彈性支撐。

　　機(jī)械測試

　?。╝）rGO紙斷裂時(shí)拍攝的照片做拉伸力測試的原理圖，比例尺表明長度的變化是0.28毫米

　?。╞）根據(jù)負(fù)載—位移數(shù)據(jù)繪制的應(yīng)變圖樣，以及它們相應(yīng)的模值。

　　（c）rGO， 10SiOC， 40SiOC， 和60SiOC的系數(shù)值，誤差分別為26.8， 7.6， 41.5， 24.1 MPa

　?。╠） rGO紙?jiān)谑氨憩F(xiàn)出拉伸現(xiàn)象和石墨烯片層的重新排列。

　?。╡） 對于60SiOC紙，出現(xiàn)了一些細(xì)微的拉伸和重新排列，斷裂線隨著SiOC微粒嵌入到rGO白斑中，紙逐漸開裂。

　　合成制備方法SiOC陶瓷的制備的準(zhǔn)備工作：SiOC通過高分子熱解法制備，液態(tài)的TTCS在380℃氬氣氣氛中交叉結(jié)合5h，最終生成白色不溶物。不溶物隨后通過球磨成粉末然后在氬氣氛圍中以1000℃熱解10h，最終變成黑色的SiOC陶瓷粉末。 GO和SiOC的制備方法：用改進(jìn)的Hummer’s來制備GO，用超聲波法將水和異丙醇按體積比1：1制備20毫升GO膠體懸浮液。將不同重量百分比的SiOC顆粒添加到該溶液中，溶液超聲震動1 h，攪拌6h，后將復(fù)合材料用10微米的過濾膜真空抽濾。將GO/SiOC小心地從濾紙上刮掉，干燥，在氬氣氣氛中500℃保持2h。同樣，用聚丙烯作為濾紙來制備60SiOC大面積的紙。將熱處理后的紙切成小圓圈，用作鋰離子電池的半電池的工作電極材料。 紐扣電池的組裝以及電化學(xué)測量手段：在充滿氬氣氛圍的手套箱中組裝鋰電池。將一個25微米厚的玻璃（直徑19毫米）浸潤在工作電極和金屬鋰（直徑14.3毫米，75微米厚）之間的電解液中作為對電極。將墊圈、彈簧、電池殼等依次組裝，然后壓制成型。

　　展望：鋰電池不斷朝著更高能量密度、更加輕質(zhì)、更加安全的方向發(fā)展，會使更多的移動終端走向我們生活的各個方面，讓我們的生活永不斷電！

　　該研究小組制備的碳氧化硅玻璃-石墨烯復(fù)合類紙電極具有優(yōu)異的循環(huán)特性，電極材料多次循環(huán)后比容量損耗低，首次循環(huán)比容量高，耐用時(shí)間長，同時(shí)研究小組還確定了非活性成分的成分，為生產(chǎn)輕量化電池提供了方向。