基于LiFePO4和硅/还原氧化石墨烯纳米复合材料的锂离子电池

A lithium-ion battery based on LiFePO4 and silicon/reduced graphene
oxide nanocomposite

highlights：

硅纳米颗粒(nSi)和还原氧化石墨烯(RGO)作为阳极；
微波辐射，对混合物进行热处理，合成nSi/RGO复合物；
通过不同充电速率下的恒流循环评估电化学性能；
与LiFePO4阴极耦合制造全锂离子电池，将电池性能评估为放电速率和循环次数。

制备方法：

1. nSi/RGO的合成：超声氧化石墨烯(GO)，分散在乙二醇2h，1:4的GO:PAA，超声1h，Si颗粒以摩尔比GO:Si为5:1添加到GO中，超声2h，540W微波加热20min，悬浮液真空过滤，，乙醇洗涤，真空50℃烘干。

2.复合阳极：0.106g(nSi/RGO)和0.040g(SuperP),0.015g粘合剂。

3.复合阴极：1.5g磷酸铁锂，0.25g炭黑，110℃真空干燥。

物相分析：

1）XRD表明：除了硅的峰外，衍射图中11.1、18.1、26.1的峰是RGO形成，其在高温处理过程中倾向于部分重新堆积(石墨烯纳米片)。11.1和18.1处的峰可能归因于一些残留的GO和PAA官能化的GO，这表明最终产物可能含有来自不完全还原的少量杂质。其中，还原条件没有优化，并且可以通过改变时间和反应温度来提升产物纯度。

2）SEM显示，左边是由一些几纳米厚的重叠片聚集而成的层状结构，其部分重叠可能与RGO纳米片有关，右边由球形颗粒组成的分支聚集形成，与硅的聚集体有关。其中，许多硅纳米颗粒只是简单的相互聚集，其他颗粒则被RGO有效包裹，说明一部分Si可以潜在的受益于RGP基质的缓冲作用。

3）TG分析：随着温度的升高，nSi/RGO在高达450℃时，没有显示出重量变化，这证实了由于RGO上不存在不稳定的氧官能团而具有良好的热稳定性。420℃和550℃之间会发生较小的重量损失，可能是表面材料表面石墨烯的氧化。之后，在550℃和650℃之间突然的重量损失，归因于本体上存在的石墨烯氧化。

电化学测试：

4）初始循环的电压分布，a图第一次循环之后，在放电和充电时都证明了相当可再现的轮廓。其中倾斜平台表明，在相同电势值下，特征可能与Li嵌入部分重新堆积的RGO基体有关，主要与Li的第一次Si锂化有关。

b图放电容量显示出从1.68降低到1.35，充电容量从1.18增加到1.35的相反趋势，可能是因为循环时较大部分的电极材料逐渐“活化”，即被电解质润湿。有两种可能的方法来解释第一次锂化循环期间观察到的高容量损失：(a)不可逆容量归因于溶剂和电解质的分子与RGO表面接触的分解过程；(b)也可能是第一次放电期间将锂插入硅中，但随后在下一次充电循环使锂不可用。可能是由于硅失去了与导电衬底的连接，或者是锂在硅内部的分解。

c图在第一次放电的微分曲线中，0.8-0.2V电压范围内，通过不可逆过程交换了大量容量，主要归因于电解质和活性材料之间形成固体电解质界面(SEI)，优先发生在RGO表面。