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，當我們拆開我們這個時代水平最高的消費級便攜式個人計算機之一——iPad的時候，一種無力感席卷全身，中間那一大塊占據了整個機器絕大多數體積的黑色的東西是什么？是電池！

　　當震動馬達都可以做到如此精密的時候，是什么制約著電子產品朝著更加安全更加輕質的發展？是電池！

　　Ipad的電池與震動馬達的明顯對比

　　為了替代傳統鋰電池，研究者注重開發循環性優異的新型鋰離子電池，發現當減小粒子尺寸和電極為納米結構時，在鋰化和脫鋰過程中即使體積應變大，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過程中耗損程度低。但電極納米結構材料出現新問題：低體積容量（低振實密度），高電阻特性，從而增加了制造成本，且因副反應發生造成低庫侖效率。

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

　　近期，國外的Gurpreet Singh課題組從復合材料優勢角度出發，合成了有序的、交叉性的、自立式大面積陽極復合材料，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，兩者結合表現出高電子傳輸通道、高循環性、高電流密度、結構高度穩定等優點。另外彌補了其他類型鋰電池的缺陷，首次循環充電容量高（702 mA h g-1），穩定的充電比容量大（543 mA h g-1），充電電流密度高（2400 mA g-1），更值得關注的是，這種復合陽極材料具有優異的應變失效特性（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極材料，但其能量密度低、效率低、穩定性差等問題限制了其實際應用。在這里我們報告一個由碳氧化硅玻璃顆粒嵌入到化學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，是穩定結構的集電器，它和非晶碳氧化硅共同使用能使鋰電池擁有高的庫倫效率。在1020次循環中，紙電極的能量密度達到588mAhg-1，而沒有出現機械故障的跡象。

　　文章同時指出減少一些不必要的材料，如集電器或者聚合物粘結劑，從而產生高效的輕質電池。

　?。╝）TTCS（1，3，5，7-tetramethyl-1，3，5，7-tetravinylcyclotetrasiloxane）經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成的。

　?。╞）X射線能譜表征的交聯TTCS和熱解的碳氧化硅。

　?。╟）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構模型。

　　（i）碳氧化硅和氧化石墨烯構成的復合材料的透射電鏡圖樣。大的氧化石墨烯白點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狀圖案，由于其多晶性，相應的透射電鏡選區電子衍射圖表現為多點模式。

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

　?。╨）交聯TTCS、SiOC、GO和復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）

　　電化學特征以及鋰存儲機理

　　（a）當進行充放電循環時，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電極的長期循環表現在1600毫安時每克。970次循環后，當電流密度降到100毫安時每克時電極表現出了不錯的恢復性能。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次循環的不同容量曲線。

　?。╡）60SiOC在零度以下的循環表現。冷卻到零下15攝氏度時，電池顯示出了大約２００毫安時每克的的容量。當溫度升至室溫，大約25攝氏度時，電池容量重新變為原來的86%左右。

　?。╢）在碳氧化硅微粒中鋰或非鋰的原理圖。大多數的鋰分布在無規則的碳相中，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體和彈性支撐。

　　機械測試

　　（a）rGO紙斷裂時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

　　（b）根據負載—位移數據繪制的應變圖樣，以及它們相應的模值。

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

　?。╠） rGO紙在失效前表現出拉伸現象和石墨烯片層的重新排列。

　?。╡） 對于60SiOC紙，出現了一些細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陶瓷的制備的準備工作：SiOC通過高分子熱解法制備，液態的TTCS在380℃氬氣氣氛中交叉結合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、更加安全的方向發展，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-石墨烯復合類紙電極具有優異的循環特性，電極材料多次循環后比容量損耗低，首次循環比容量高，耐用時間長，同時研究小組還確定了非活性成分的成分，為生產輕量化電池提供了方向。