新型電極可增加鋰電池壽命

　　生活中有沒(méi)有一瞬間，你覺(jué)得科技落后的要命？！

　　是的，當(dāng)我們拆開(kāi)我們這個(gè)時(shí)代水平最高的消費(fèi)級(jí)便攜式個(gè)人計(jì)算機(jī)之一——iPad的時(shí)候，一種無(wú)力感席卷全身，中間那一大塊占據(jù)了整個(gè)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(dòng)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(dòng)馬達(dá)的明顯對(duì)比

　　為了替代傳統(tǒng)鋰電池，研究者注重開(kāi)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(guò)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(guò)程中耗損程度低。但電極納米結(jié)構(gòu)材料出現(xiàn)新問(wèn)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(kù)侖效率。

　　針對(duì)以上問(wèn)題，陽(yáng)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(yáng)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(gè)方面：1、總電容電勢(shì)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(guó)外的Gurpreet Singh課題組從復(fù)合材料優(yōu)勢(shì)角度出發(fā)，合成了有序的、交叉性的、自立式大面積陽(yáng)極復(fù)合材料，其成分為SiOC和還原氧化石墨烯（rGO）。這種陽(yáng)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(yáng)極材料具有優(yōu)異的應(yīng)變失效特性（超過(guò)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(wèn)題限制了其實(shí)際應(yīng)用。在這里我們報(bào)告一個(gè)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(yáng)極材料。簡(jiǎn)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?kù)倫效率。在1020次循環(huán)中，紙電極的能量密度達(dá)到588mAhg-1，而沒(méi)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。

　?。╝）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?？梢杂^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(dòng)模式；σ：彎曲震動(dòng)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。

　?。╦）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。

　?。╧）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(chǔ)機(jī)理

　?。╝）當(dāng)進(jìn)行充放電循環(huán)時(shí)，電流密度以不對(duì)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(zhǎng)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(cuò)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?lái)的86%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(wú)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(cè)試

　?。╝）rGO紙斷裂時(shí)拍攝的照片做拉伸力測(cè)試的原理圖，比例尺表明長(zhǎng)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。

　?。╟）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(duì)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(kāi)裂。

　　合成制備方法SiOC陶瓷的制備的準(zhǔn)備工作：SiOC通過(guò)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(guò)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(lái)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(dòng)1 h，攪拌6h，后將復(fù)合材料用10微米的過(guò)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(lái)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(cè)量手段：在充滿氬氣氛圍的手套箱中組裝鋰電池。將一個(gè)25微米厚的玻璃（直徑19毫米）浸潤(rùn)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(duì)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(huì)使更多的移動(dòng)終端走向我們生活的各個(gè)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(zhǎng)，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。