硅和石墨烯复合毕业论文

成果简介

高容量硅 (Si) 被公认为高性能锂离子电池 (LIB) 的潜在负极材料。但是，放电/充电过程中的大体积膨胀阻碍了其面积容量。 本文，上海交通大学微纳米科学技术研究院张亚非教授课题组在《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊 发表名为“Binder-Free, Flexible, and Self-Standing Non-Woven Fabric Anodes Based on Graphene/Si Hybrid Fibers for High-Performance Li-Ion Batteries”的论文， 研究设计了一个柔性石墨烯纤维织物（GFF）为基础的三维导电网络，形成无粘合剂且自支撑的高性能锂离子电池的硅负极。

Si 颗粒被牢固地包裹在石墨烯纤维。起皱引起的大量空隙石墨烯在纤维中能够有效地适应锂化/脱锂过程中硅的体积变化。GFF/Si-37.5% 电极在 100 次循环后在0.4 mA cm –2的电流密度下表现出优异的循环性能，比容量为 920 mA hg –1。此外，GFF/Si-29.1% 电极在 400 次循环后在0.4 mA cm –2的电流密度下表现出 580 mA hg –1的优异可逆容量。GFF/Si-29.1% 电极的容量保持率高达 96.5%。更重要的是，质量负载为 13.75 mg cm –2的 GFF/Si-37.5% 电极实现了 14.3 mA h cm –2的高面积容量，其性能优于报道的自支撑 Si 阳极。这项工作为实现用于高能 LIB 的无粘合剂、柔性和自立式 Si 阳极提供了机会。

图文导读

图 1. (a) 自立式 GFF/Si - X电极制造过程示意图。（b）醋酸溶剂中的 GOF/Si、（c）GOFF/Si 和（d）GFF/Si- X 的数码照片，揭示了其柔韧性。(e) GFF/Si-37.5% 电极冲压成面积为 1.12 cm 2 的小圆盘。

图 2. (a) GFF/Si-37.5% 低倍率的 SEM 图像和 (b) 部分放大的 SEM 图像，揭示了两个独立的纤维在两者相遇的点合并为一个。(c,d) GFF/Si-37.5% 表面和横截面的 SEM 图像。

图 3. GFF/Si- X电极在 0.4 mA cm –2电流密度下的电化学特性；所有比容量均以自立式电极的总质量为基础计算。(a) 第一次循环充电/放电电压曲线。(b) ICE 的比较分析。(c) 循环性能比较。(d) GFF/Si-37.5% 电极在 0.2 mV s –1扫描速率下的CV 测量值。(e) GFF/Si-37.5% 的倍率性能。(f) 具有不同阳极重量的 GFF/Si-37.5% 电极的面积容量

图 4. GFF/Si-HI、GFF/Si-37.5% 和 GFF/Si-800 C 电极的循环性能比较

图 5. GFF/Si-HI、GFF/Si-37.5% 和 GFF/Si-800 C 的成分分析：(a) XRD 图，(b) 拉曼光谱，(c) GFF/Si-的 TGA 曲线N 2气氛中的HI ，和 (d) FT-IR 光谱。

图 6. (a,b) GFF/Si-37.5% 电极在循环前后的拉曼光谱和 XRD 图案。GFF/Si-37.5% 电极在 100 次放电/充电循环后的形态研究：(c,d) 锂化/脱锂后低倍和高倍率的 SEM 图像；插图是循环后 GFF/Si-37.5% 电极的数码照片；(e,f) TEM 和 HRTEM 图像；插图是低倍放大的 SAED 图像；(g) 元素映射。

小结

在这项研究中，基于 GFF 的 3D 导电网络被设计用于无粘合剂和自立式 Si 阳极。GFF 结构在放电/充电循环期间成功地抑制了 Si 的体积膨胀。提出了一种新策略，用于制造用于高性能 LIB 的无粘合剂、柔性和自立式 Si 阳极。

文献：

物理定律将硅太阳能电池的最高效率限制在32%，面对太阳能转换效率的困境，科学家们已耗费数十年的时间试图找到其他替代品，如钙钛矿。然而，后者的制造存在几个挑战，其中扩大太阳能电池板的生产是迈向成功的关键一步。同时，科学家试图将两种或两种以上的太阳能光伏技术结合起来，使得不同材料在性能和光吸收范围上实现互补，以提高光伏转换的效率。如钙钛矿-硅串联太阳能电池，将硅和钙钛矿的优势结合起来，然而稳定性、效率和大规模生产似乎仍然是一个遥不可及的梦。随后石墨烯的出现，被认为对太阳能电池性能的提升有很大帮助，甚至将带来革命性的突破。 近日，罗马托尔维加塔大学、意大利理工学院的研究人员及其附属机构石墨烯旗舰成员BeDimensional与西班牙清洁技术公司ENEA合作，成功地将石墨烯与串联的钙钛矿-硅太阳能电池相结合，其转换效率高达26.3%，相关研究成果已发表于《焦耳》（Joule）杂志。基于石墨烯多功能特性，石墨烯的串联太阳能电池效率几乎是纯硅的2倍，该研究团队设想了一种新的制造方法，用于生产大面积的太阳能电池板，并降低生产成本。结果表明石墨烯和相关的层状材料将使更高效、更经济的大面积太阳能电池板实现商业化。这项新技术可以应用于现有的钙钛矿太阳能电池，使用的是基于标准解决方案的制造方法。 该研究团队表示，制造石墨烯太阳能电池的新方法有着双重优势。首先，它可以用于增强现所有不同类型的钙钛矿太阳能电池，包括那些在高温下加工的电池；但更重要的是，可以利用广泛使用的“溶液制造方法”来整合石墨烯，这是进一步工业化应用该技术并生产石墨烯太阳能电池板的关键。 事实上，他们已经致力于两个面向工业的“先锋项目”，以挖掘石墨烯太阳能电池的应用潜力。研究人员指出，这种创新方法是朝着开发串联太阳能电池迈出的第一步，这种电池的效率超出了单节硅器件的极限，分层的材料将是实现这一目标的关键。这种新型太阳能电池将成为石墨烯旗舰项目GRAPES的基础，该项目将进行石墨烯基钙钛矿-硅串联太阳能电池的试生产，目标是超过30%的太阳能转换指标，同时降低生产成本。另一个关键目标是保持高太阳能转换效率，同时增加太阳能模块的大小。 据了解，作为一个由欧盟委员会资助的项目，GRAPES项目的任务是提高这项技术的稳定性和效率，提升欧洲对太阳能项目的接受程度。而自石墨烯旗舰项目GRAPES启动以来，石墨烯及相关材料在太阳能发电方面的应用被视为一项战略重点。

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物理性质不同