江苏科技大学《Energy Fuels》:SiOx@石墨烯气凝胶，用锂离子电池

1成果简介

　　二氧化硅（SiOx）材料作为锂离子电池的负极材料展现出广阔前景。然而，其固有缺陷——包括机械性能差、导电性低及循环性能有限——严重制约了该材料的发展。本文，江苏科技大学杨宏训 教授、悉尼科技大学Jinqiang Zhang等研究人员在《Energy Fuels》期刊发表名为“Natural Clay-Derived SiOx@Graphene Aerogel Integrated through an Oxygen Bridge for Advanced Lithium Storage”的论文，研究报道了一种简便且经济高效的合成方法，利用天然丰富的attapulgite（ATP）粘土制备出锚定于石墨烯气凝胶上的SiOx纳米颗粒（SiOx@GA），该材料在锂离子电池领域展现出巨大潜力。

　　通过全面表征与密度泛函理论（DFT）计算，我们发现微米级粘土衍生SiOx通过氧桥键接枝于缺陷石墨烯表面，实现了导电石墨烯纳米片向绝缘SiOx的高效电子传递。此外，强相互作用还能防止GA上SiOx过度还原，使其兼具硅与氧化硅的优势，有效抑制体积膨胀并提升负极材料整体稳定性。由此制备的SiOx@GA负极锂离子电池展现出卓越的电化学性能：在1A g–1充放电条件下，实现602mAh g–1 的高比容量，并保持超过1200次的持久循环稳定性。本研究为开发高性能锂离子电池提供了切实可行的策略，通过利用天然资源实现大规模、低成本的SiOx负极材料制备。

2图文导读

图 1. (a) Schematic illustration of the synthesis of SiOx@GA, (b and c) TEM images of SiOx@GA, (d) HRTEM images of SiOx@GA, and (e–h) elemental mapping: C, O, and Si were red, light blue, and green regions, respectively.

图2. Structural characterizations of SiOx@GA, including (a) XRD patterns, (b) Raman spectra, and (c–f) XPS results: (c) XPS survey spectrum and (d–f) XPS high-resolution spectra of O 1s, C 1s, and Si 2p.

图3. (a) CV curves of SiOx@GA, (b) charging–discharging curves of SiOx@GA obtained at 0.2 A g–1, (c) rate performance for SiOx@GA, SiOx, and GA, (d) cycle performance of 1 A g–1 (0.1 A g–1 for the first three cycles), and (e) Nyquist plots of SiOx, GA, and SiOx@GA electrodes before cycling.

图4. (a) CV curves obtained at different scan rates, (b) log(scan rate) vs log(peak current) plot calculated from CV curves, (c) pseudocapacitance contribution ratio of 1 mV s–1, (d) contribution ratio for diffusion/capacitance control behavior, and (e and f) diffusion coefficients for Li during the second discharging–charging process.+

图5. Charge density differences on SiOx/defective carbon (a) with an oxygen bridge and (b) without an oxygen bridge and (c) adsorption energy of Li on +carbon, defective carbon, SiOx, and SiOx/defective carbon.

3小结

　　综上所述，本研究开发了一种基于天然赤铁矿粘土前驱体的简便且经济高效的合成路线，成功制备了SiOx@GA复合材料。合成的SiOx纳米颗粒尺寸微小，并均匀嵌入GA骨架中。所得SiOx@GA复合材料呈现由互连石墨烯片构筑的三维多孔结构，显著促进了电子和离子传输。此外，SiOx纳米颗粒通过形成氧桥接枝到缺陷石墨烯纳米片上，既防止了SiOx过度还原，又稳定了结构，同时实现了SiOx与GA之间的快速电子转移。这种独特结构显著提升了电化学性能：在1Ag⁻¹电流密度下经1200次循环后，比容量仍超过600 mAh g⁻¹，并展现出优异的倍率性能。该复合材料卓越的电化学性能主要归功于其独特的多孔结构与氧桥体系：增强导电性、缓冲循环过程中的体积变化、提升结构完整性并提高比容量。更重要的是，该制备方法采用丰富廉价的天然资源，显著降低制造成本，使SiOx@GA复合材料成为未来先进锂离子电池技术大规模应用的理想候选材料。

　　文献：
https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.5c03731

来源：材料分析与应用