受“砖-砂浆”启发！多功能柔性Si/CNT/rGO薄膜，用于锂离子电池

摘要：本文，常州大学何大方副教授、陈海群教授等在《Journal of Colloid and Interface Science》期刊发表名为“A scalable, robust, and highly oriented flexible composite f

1成果简介

本文，常州大学何大方副教授、陈海群教授等在《Journal of Colloid and Interface Science》期刊发表名为“A scalable, robust, and highly oriented flexible composite film inspired by a “brick–mortar” pillared structure for lithium ion batteries”的论文，研究基于氧化石墨烯（GO）的各向同性向列液晶，采用一步涂覆法制备了多功能柔性硅/碳纳米管/还原氧化石墨烯（Si/CNT/rGO）薄膜。该复合薄膜的结构由堆叠的 rGO 纳米片组成，层间穿插着纳米硅和 CNT，类似于 “砖-砂 ”柱状结构。所制备的 Si/CNT/rGO 薄膜具有出色的拉伸强度，最高可达 134 兆帕，并在初始充电容量（1885 mAh/g at 200 mA/g）和循环性（200次循环后为 1376.41376.4 mAh/g ）方面表现出令人称道的锂存储特性。这种简单直接的制备方法为先进工程应用提供了一条创造稳定、机械坚固的复合薄膜的新途径。

2图文导读

图1：（a、b）Si/CNT/rGO 薄膜的制备过程示意图；（c）GO片的原子力显微镜图像；（d）Si/CNT/GO 薄膜的照片。

图 2. (a) GO 薄膜 (b, c) Si/GO 薄膜 (d, e) Si/CNT/GO 薄膜的截面扫描电镜图像；(f) Si/CNT/GO 薄膜的表面扫描电镜图像；(g) Si/GO 和 Si/CNT/GO 薄膜弯曲测试后的照片；(h) 弯曲测试后 Si/GO 薄膜的光学显微镜图像；(i) Si/GO 薄膜和 Si/CNT/GO 薄膜的拉伸示意图；(j, k) GO、Si/GO、CNT/GO 和 Si/CNT/GO 薄膜的应力-应变曲线。

图3. (a) Si/CNT/rGO 薄膜的照片；(b) Si/rGO 和 Si/CNT/rGO 薄膜的密度；(c) 截面扫描电镜图像；(d) 表面扫描电镜图像；(e) Si/CNT/rGO 薄膜的 EDS 图谱；(f) Si、CNT/rGO 薄膜和 Si/CNT/rGO 薄膜的 XRD 图 (g) 拉曼光谱和 (h) TGA 图；Si/CNT/rGO 薄膜的 (i) C 1s (j) O 1s (k) Si 2p 的高分辨率 XPS 光谱。

图4 、硅阳极、Si/rGO 薄膜和 Si/CNT/rGO 薄膜的电化学特性硅阳极、Si/rGO 薄膜和 Si/CNT/rGO 薄膜的电化学特性能。

图5. (a) Si/rGO 薄膜和 (b) Si/CNT/rGO 薄膜上的电解质接触角和扩散；(c, d) 0.1 mV/s 时的 CV 曲线；(e) Si/CNT/rGO 薄膜不同扫描速度下的 CV 曲线；(f) log (i) 和 log (ν) 的线性关系；(g) 1. 0 mV/s 时的 CV 曲线和电容电流贡献；(h) 电子和锂扩散示意图；(i) 奈奎斯特图；(j) +Rs 和 Rct 值；(k) 循环前后薄膜电极的锂扩散系数。

图6. Si/rGO 薄膜电极（a）循环前和循环后（b）以及 Si/CNT/rGO 薄膜电极（c）循环前和循环后（d）的表面 SEM 图像；Si/rGO 薄膜电极（e）循环前和循环后（f）以及 Si/CNT/rGO 薄膜电极（g）循环前和循环后（h）的横截面 SEM 图像；(i）电极厚度变化；（j）循环前后相应的百分比变化；（k，l）Si/CNT/rGO 薄膜的断裂表面形态；（m）Si/CNT/rGO 薄膜的断裂机制示意图。

3小结

总之，利用高浓度 GO 的向列液晶，通过一步涂覆法首次制备出了多功能柔性 Si/CNT/rGO 薄膜。具有非牛顿流动特性的 GO 的向列组织流体相可以利用剪切力生成大面积薄膜。通过在 rGO 层之间焊接 CNT，从而形成三维碳骨架并显示出卓越的渗透性，最终形成了以 “砖-砂柱 ”柱状结构为特征的坚固且高度定向的复合薄膜。利用其独特的结构，Si/CNT/GO 薄膜表现出最佳的机械特性，这种特性源于排列整齐的 GO 片和 CNT 之间发生的缠结和交错。其拉伸应力可达134Mpa，超过了Si/GO薄膜。鉴于这些优点，作为阳极的 Si/CNT/rGO 薄膜具有极片电阻率低、速率性能优异（3000mA/g时为 1372.6 mAh/g）和长期循环稳定性（1000mA/g 时循环 100 次为 1083.7 mAh/g）等特点。与已发表的有关柔性硅基阳极材料的研究成果相比，Si/CNT/rGO 薄膜显示出优异的电化学性能。在此基础上，我们将在不久的将来重点开发快速、可扩展的方法，利用 GO 的各向同性向列液晶制造大面积、连续的其他石墨烯基薄膜。制备出的高度紧凑和排列整齐的薄膜将极大地推动二维纳米片在电子、热管理和能量存储等众多领域的应用潜力。

文献：