为了满足人们对高能量密度和高功率密度锂离子电池日益增长的需求，硅（Si）因其高的理论比容量而备受关注。然而，Si阳极的实际使用受到嵌锂/脱锂过程中体积变化大及由此产生的电极粉碎的阻碍。纳米级Si基材料已经取得了很大的进展，但低的初始库仑效率和较小的体积容量，阻碍了其实际应用。Si微粒（SiMPs）因为低成本，商业可用性和高振实密度,，被认为是替代品。本论文介绍了一种新颖的原位形成石墨烯氧化物（GO）-聚丙烯酸（PAA）复合笼，来封装硅微粒（SiMPs）并作为锂离子电池阳极。通过酯化反应使得PAA粘合剂的羧基和GO的羟基之间形成机械稳固的共价键。酯键合的GO-PAA笼将粉碎的SiMPs限制在其内，保持了结构的完整性，从而产生高的库仑效率，优异的容量保持率和高倍率性能。在1000 mA /g的高电流密度下200次循环后，该电极提供了2300 mAh/g 的高容量。此外，在全电池中（100次循环后1.45 mA h/cm²）和高的负载Si量下（500次循环后1.98 mA h/cm²）实现了稳定循环。

Scheme 1 通过[SiMP + GO]复合物的-OH与PAA粘合剂的-COOH之间的酯化反应，从HB电极制备EB电极的示意图。


Fig. 1 (a) SiMPs和(b) [SiMP+GO]复合材料的SEM图，[SiMP+GO]复合材料的(c)低倍和(d)高倍TEM图，[SiMP + GO]复合材料的(e)STEM图像和(f,g) EDS映射图。


Fig. 2 (a) PAA粘结剂、(b)氧化石墨烯(GO)、(c) SiMPs和[SiMP+GO]复合材料以及(d) HB-1和EB-1电极的FT-IR光谱。


Fig. 3 (a)扫描速率为0.05 mV/s时HB电极和EB电极的CV曲线，(b)电流密度为200 mA/g时，HB和EB电极在0.01到1V之间的初始充放电曲线，(c)电流密度为200 mA/g (1次)-500 mA/g (5次)-1000 mA/g (后续循环)时HB和EB电极的循环性能，(d)无Super-P条件下制备的EB-1电极循环性能（质量比，[SiMP+GO]：PAA粘结剂= 65：20），(e)负载Si量为1.42 mg/cm²的EB-1电极的面积容量。


Fig. 5 (a) HB和EB电极的纳米压痕图，(b)微划痕试验获得的摩擦系数，(c) HB和EB电极划痕试验后的SEM图。


Fig. 6 (a) HB和(b) EB电极经过20次循环后的SEI层SEM图，(c) HB和EB电极的初始和循环后XPS Si 2p、C1s和F1s光谱。


Fig. 7 SEI冲洗(a)HB和(b)EB电极循环20次后的SEM图，(c)EB-1电极循环后的TEM图。


Scheme 2 (a) HB电极和(b) EB电极在锂化和循环后的工作机理示意图。
       相关研究成果于2019年由首尔国立大学 Seong-Hyeon Hong课题组，发表在J. Mater. Chem. A（DOI: 10.1039/c9ta02654a）上。原文：An in situ formed graphene oxide-polyacrylic acid composite cage on silicon microparticles for lithium ion batteries via an esterification reaction