中科院长春应化所AFM: 通过球磨TiO2剥离石墨构建石墨烯修饰的SiOx基负极

【引言】

石墨烯由于其独特的物理化学性质在过去的二十年里成为了最受关注的材料之一，并在材料科学，催化，光学，传感器，能量存储和转换等领域中得到了广泛的研究及应用。目前，研究者们已经开发了许多方法用于制备石墨烯，包括经典的Hummers方法，化学气相沉积和机械剥离等。其中，球磨、微机械剥离或超声等策略由于其过程简易和产率高的特点，使石墨烯的制备更易放大生产。在本文中，作者发现通过将石墨与TiO₂共混球磨，可以有效地将石墨剥落成多层石墨烯(MLG)。基于此方法，可以轻松地合成各种石墨烯改性材料。

【成果简介】

近日，中科院长春应化所明军研究员首次报道了TiO₂纳米粒子在剥落石墨中的独特作用，可以通过简易的球磨方法有效地从石墨中制备出石墨烯改性的SiO_x基负极。所制备的SiO_x/TiO₂@ MLG可以提供1484 mAh g^-1的高可逆容量，并在2 A g^-1的电流密度下稳定循环1200次。通过与高镍正极匹配组装成的全电池也展示出优异的循环稳定性，这证实SiO_x/TiO₂@ MLG LIB的实用性。相关研究成果“Unraveling Metal Oxide Role in Exfoliating Graphite: New Strategy to Construct High-Performance Graphene-Modified SiO_x-Based Anode for Lithium-Ion Batteries”为题发表在Advanced Functional Materials上。

【图文导读】

图一 MLG的物相表征和合成示意图。

（a）SiO₂/G，Co₃O₄/G，TiO2 @ MLG和MLG样品的XRD图谱。

（b）原始石墨的SEM图像。

（c，d）MLG的SEM和TEM图像。

（e）不同金属氧化物剥落过程的示意图。

图二 SiO_x/TiO₂ @ MLG的合成过程与表征。

（a）SiO_x/TiO₂@MLG的剥离和自组装涂层工艺的示意图。

（b，c）SiO_x/TiO₂@MLG的SEM和HRTEM图像。

（d-g）SiO_x/TiO₂@MLG的TEM/EDX映射图像。

图三 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谱图。

（b，c）SiO_x/G和SiO_x/TiO₂@MLG的拉曼光谱和XPS。

（d）SiO_x/TiO₂ @ MLG的孔径分布图。

图四 储锂电化学性能表征

（a）CV曲线。

（b）电流密度为0.1 A g^-1时SiO_x/G和SiO_x/TiO₂@MLG的电压与容量曲线。

（c）在电流密度为0.5 A g^-1时，SiO_x/G，SiO_x/SiO₂/G，SiOx/Co₃O₄/G和SiO_x/TiO₂@MLG的循环性能对比。

（d，e）SiO_x/TiO₂@MLG的倍率性能及对应的充放电曲线

（f）SiO_x/TiO₂@MLG在2 A g^-1的电流密度下的长循环性能。

图五 反应动力学分析

（a）SiO_x/TiO₂@MLG 和b）SiO_x/G在0.1至1mV s^-1的不同扫描速率下的循环伏安曲线。

（c）峰值电流与扫描速率平方根的拟合曲线。

（d）SiO_x/TiO₂@MLG和e）SiO_x/G电池在不同放电深度下的HPPC比较。

（f）原始SiO_x/TiO₂@MLG和SiO_x/G的EIS谱图。

图六 SiO_x/TiO₂@MLG | LiNi_0.6Co_0.2Mn_0.2O₂全电池的电化学性能

（a）全电池示意图。

（b）全电池的循环伏安曲线。

（c）在0.5下的不同循环的充放电曲线。

（d，e）全电池循环性能与倍率性能。

【小结】

总之，作者首次发现了TiO₂独特的作用，可以有效地将石墨剥落成多层石墨烯。这种独特的方法可用于制备LIBs中的石墨烯改性的SiO_x基负极材料，通过TiO₂原位剥落石墨成为MLG，然后MLG可以均匀地包覆SiO_x以构建SiO_x/TiO₂@MLG复合材料。并在锂离子电池中证实了SiO_x/TiO₂@MLG的高储锂容量和循环稳定性。此外，提出的SiO_x/TiO₂@MLG | NCM622全电池的能量密度有望超过300Wh kg^-1。这种通用策略可以用于设计不同领域的各种功能性材料。

文献链接：“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)

本文由材料人微观世界编译供稿，材料牛整理编辑。

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