东华大学：B-SiOC纳米球封装导电石墨烯薄膜，用于锂离子电池

成果简介

SiOC纳米颗粒由于提供的高容量和出色的循环稳定性，被认为是最有前途的锂离子电池负极之一。然而，由高比表面积和高颗粒间电阻引起的副反应阻碍了SiOC材料的实际应用。 本文，东华大学杨建平研究员团队在《New J. Chem》期刊 发表名为“Confined self-assembly of SiOC nanospheres in graphene film to achieve cycle stability of lithium ion batteries”的论文， 研究开发了一种受限的自组装工艺，将掺硼的SiOC（B-SiOC）纳米球封装到导电石墨烯薄膜（B-SiOC@G）中 。B掺杂可以诱导SiOC纳米颗粒的互连组装，而石墨烯作为导电框架可以缓冲体积变化并促进锂离子和电子传输。因此，得到的 B-SiOC@G 阳极表现出优异的循环稳定性，在 0.5Ag -1时每循环衰减 0.03%并在1000次循环后保持 445 mA hg -1的可逆容量。这些结果表明，B-SiOC@G是一种很有前途的高稳定性锂离子电池负极材料。

图文导读

图1、 （a和d）B-SiOC@G的SEM图像，（b和e）B-SiOC@G的TEM图像，（c和f）SiOC@G的SEM图像，（g-k）Si的元素映射，O，C，B。

图 2 (a) XRD 图案，(b) FTIR 光谱，(c) B-SiOC@G、SiOC@G、CA-SiOC@G 和 VC-SiOC@G 的拉曼位移。(d) B-SiOC@G、SiOC、SiOC@G、CA-SiOC@G和VC-SiOC@G的TGA曲线。

图3、 (a) B-SiOC@G 的氮吸附等温线。(b) B-SiOC@G 的 XPS 光谱，(c) C 1s 和 (d) B-SiOC@G的B1s。

图4、 (a) 首次放电/充电曲线，(b) 初始库仑效率，(c) 第一次循环后样品的奈奎斯特图，(d) 倍率性能，(e) 0.5 A g -1 电流密度下的循环性能对于 B-SiOC@G、SiOC@G、CA-SiOC@G 和 VC-SiOC@G。

图5、 (a) B-SiOC@G和 (b) SiOC@G的GITT 测试。(c)从 B-SiOC@G和SiOC@G的 GITT计算的Li +的相应扩散系数。(d) B-SiOC@G不同循环后的 EIS 曲线。

小结

石墨烯薄膜不仅可以作为导电框架缓冲体积变化，促进锂离子和电子传输，还可以防止 SEI 薄膜的连续形成，以确保循环过程中稳定的电解质界面。这项工作可能对高度稳定的负极材料的结构设计产生深远的影响。

文献：

https://doi.org/10.1039/D1NJ06229H

东华大学闫建华：静电纺丝技术制备具有可调几何结构的分层多孔碳纳米纤维

DOI: 10.1021/acsami.1c12302

多孔碳纳米纤维（PCNFs）具有丰富的离子、分子和纳米粒子传输通道，但对其多孔结构的控制仍然是一项挑战。在本研究中，以聚四氟乙烯为孔模板，硼酸为交联剂，聚乙烯醇和聚氨酯为双碳前体，通过一种可扩展的静电纺丝技术制备了具有可调几何形状和大/中/微孔结构的柔性PCNF。在水溶剂中，带负电的模板与带正电的碳前驱体交联，形成用于静电纺丝的稳定溶胶。通过改变这些前体的质量比，电纺杂化纳米纤维在碳化后直接转化为B-F-N-O掺杂的PCNFs，具有可调节的大孔、中孔和微孔。单根PCNF的孔隙率高达85%，孔体积可在0.23至0.58 cm3·g-1之间调节。当使用独立的PCNF薄膜构建高硫含量（86wt%）电极时，具有丰富电活性位点的多孔结构为聚阴离子提供了快速通道，并对多硫化物具有较强的化学吸附，从而产生了良好的电化学性能。本文所报告的策略为合成多用途的分层PCNFs提供了新的视角。

图1.材料制备过程示意图。使用通用静电纺丝技术以及随后的预氧化和碳化工艺来制备具有丰富缺陷和分层大/中/微孔的柔性PCNF的示意图。

图2.材料表征。（a-c）不同PCNFs的扫描电子显微镜（SEM）图像和（d,e）N2吸附-解吸等温线。（f）不同孔隙的体积分数。（g）不同PCNFs的微孔面积和外表面积。（h）不同PCNFs的累积孔体积和（i）平均孔径。

图3.分层孔隙形成机理及材料表征。（a）使用分子设计策略在PCNFs中形成分层多孔结构的概貌。（b）PCNF薄膜的横截面SEM图像和数码照片。（c）PCNFs的表面形态，（d）TEM图像和（e）EDS映射光谱。（f）PCNFs的N1s和（g）B1s XPS光谱。

图4.Li-S电池的电化学性能分析和化学吸附机理。（a-b）多硫化物在H型电池中渗透的捕获照片，该电池以PCNF薄膜为隔膜。（c）在0.1mV·s-1下进行五次循环的连续CV测试。（d）0.5C下的恒电流放电和充电曲线。（e）循环前和在0.5C下循环50次后电池的EIS谱。（f）0.1至4C的额定容量。（g）在2C下进行200次放电和充电循环的长期稳定性测试。（h）多硫化物在具有独特多孔结构和缺陷的PCNF笼中的强化学吸附示意图。

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