グラフェン電池とグラフェンリチウム電池のどちらが良いですか？

1はじめに

高度な通信機器や電気自動車のエネルギー需要の高まりにより、高エネルギー密度のリチウムイオン電池の開発に大きな関心が寄せられています。シリコンベースの材料は、その超高比容量、大きな予備力、および比較的低いリチウム挿入電位により、次世代リチウムイオン電池のカソードとして使用できます。ただし、リチウムの連続的なインターカレーションと脱リチウム化（300％）中に体積が大幅に変化すると、活物質が壊れて落下し、容量が大幅に低下する可能性があります。多くの研究により、グラフェンなどの特定の炭素材料を導入して得られたシリコン-炭素複合材料は、炭素の多くの優れた特性（導電率や機械的柔軟性など）を示すことができるため、この問題を効果的に解決できることが示されています。

2結果紹介

最近、北京大学の学者Zhongfan Liuは、Hailin Peng教授（共同通信）と共同で、リチウムイオン電池の安定した負極として使用できる垂直グラフェン被覆シリカ粒子（d-sio @ vg）を提案しました。高い比容量。化学蒸着によって一酸化ケイ素（SiO）粒子の表面に垂直に成長したグラフェンは、粒子の導電率を大幅に向上させるだけでなく、リチウムイオンの多数の輸送チャネルを提供します。高負荷（1.5mg / cm2）でも、得られた複合材料は最大1600mAh / gの容量で安定したままであることがわかりました（100サイクル、保持率93％）。これにより、5月4日にジャーナルNanoLetterに「VerTIcalGrapheneGrowthonSiOMicroparTIclesforStableLithiumIonBatteryAnodesタイトル」が公開されました。

3.画像とテキストガイド

メカニズム図1.垂直グラフェン被覆シリコンベース粒子の設計

a。連続バッテリーサイクル中の体積変化によって引き起こされるシリコンベースの電極の電気絶縁。

b。表面で覆われた垂直グラフェンは、バッテリーのサイクル中に酸化ケイ素粒子間の安定した導電性接続を提供します。

図1、SiO粒子上での垂直グラフェン成長

（ab）相互接続されたd-SiO @vG粒子のTEM画像と白い四角で選択された部分拡大画像。

（c）三角形の垂直グラフェンフィルムの高解像度TEM画像。内部図はマークされた領域の断面図です。

（d）d-SiO @vG粒子のラマンスペクトル。

（ef）d-sio @vg粒子とSiO粒子のXPSスペクトルおよびd-sio @ vg粒子のC1sXPSスペクトルにおけるSi2pのピーク。

加熱プロセス中に、酸化ケイ素の表面での不均化反応によって得られたシリカは、グラフェンの成長のための触媒部位を提供することができます。ラマンマップから、グラフェンの特徴的なピーク（D：〜1359cm-1、G：〜2699cm-1、2D：〜2690cm-1）を見ることができます。 XPSスペクトルは、複合粒子の表面が主にアモルファスシリカであることを示しています。 C-Si結合のない構造にはCO結合があり、グラフェンの成長に酸素が重要な役割を果たしていることを示しています。

図2、d-SiO @vG粒子の導電率試験

（a）光学顕微鏡下での粒子電流-電圧試験用の回路。

（b）個々のSiO粒子、単一のd-SiO @ vG粒子、および複数の相互接続されたd-SiO @vG粒子のIV曲線。

（c）活物質間の導電性接触のさまざまな形態の概略図。

（df）PIフィルム上のSiO、d-SiO @ hG（水平グラフェン）およびd-SiO @vG複合電極フィルムの2次元スキャン画像。

SiO粒子を約2.5重量％のグラフェンでコーティングすると、抵抗は約4.0倍から減少します。 1012Ωから〜3.1＆回; 104Ωであり、粒子間の接触抵抗とシート抵抗も大幅に減少します。

図3、d-SiO @vGアノードの電気化学的性能

（a）0.05mvs-1の掃引速度でのd-sio @ vg電極（第1、第2、および第5サイクルを含む）の典型的なCV曲線。

（b）スキャン前後のd-SiO @vG電極のナイキスト曲線。

（c）160mag-1の電流密度での充放電性能。

（d）320mag-1の電流密度でのd-sio電極とd-sio @ vg電極の比容量と循環効率。

最初のサイクルのサイクリックボルタンメトリー曲線は0.65Vにピークがあり、固体電解質膜の形成を示しています。これにより、電荷輸送抵抗が増加しますが、値は10回転後も実質的に変化しません。固体電解質膜とグラフェンの存在は、粒子の比表面積を増加させ（3 m 2 / gから12m 2 / gに）、それによって充電および放電容量を増加させます。同時に、垂直グラフェンカプセル化は、電極のサイクル性能も向上させます。

図4、リチウム挿入中のd-SiO @vG粒子のinsituTEM特性評価

（ab）その場リチウム注入試験用のナノ電気化学デバイスの概略図とTEM画像。

（cd）リチウムインターカレーション前後のd-SiO @vG粒子画像。

（ef）は、それぞれ図cおよびdでマークされた領域のグラフェン修飾層の表面トポグラフィーに対応します。

リチウムインターカレーション後、複合粒子の長さは約15％増加し、同じ場合、未修飾のSiO粒子は200％増加します。強力な写真は、グラフェンベースが粒子膨張の前後で変化しないことを示しており、安定した導電経路を提供していることを示しています。

図5、d-SiO @ vG / graphite-NCAフルバッテリー性能テスト

（a）d-SiO @ vG /グラファイトを負極、NCAを正極として組み立てた18650フルセル電池の写真。

（b）5Cから5Cまでのさまざまな充電レートでのアセンブリバッテリレートのパフォーマンス。

（c）5C / 1Cの充電/放電率で組み立てられたフルバッテリーのサイクル性能。

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