硅负极的合理设计是应对固体电解质界面破裂导致的体积膨胀、硅电导率差和容量衰减等挑战的有效手段。我们设计了一个石墨烯限制Si@Cu核壳结构(Si@Cu@rGO)作为集成阳极，其中硅纳米表面的铜壳增强了硅颗粒和石墨烯之间的电子导电性。同时，铜壳和石墨烯的柔韧性有助于抑制循环过程中电极形态的变化，并保持电极材料与集电极之间的良好接触。石墨烯包层不仅有效地阻止Si@Cu纳米颗粒的聚集，还为锂化过程中硅的膨胀提供了足够的空间，而三维氧化还原石墨烯层构建了导电结构，加速了电池的反应动力学。通过这种设计，Si@Cu@rGO具有令人满意的电化学性能。经过70次倍率性能测试，Si@Cu@rGO的比容量达到2243.1 mAh g^-1。

 
图1. 核壳Si@Cu/rGO制备示意图。

 
图2. (a)复合材料的XRD谱图包括立方硅的参考谱图;(b)复合材料拉曼光谱。

 
图3. . (a, b) Si@Cu,(c, d) Si@rGO,(e, f) Si@Cu@rGO的SEM和TEM图像， (g) EDS元素映射图。

 
图4. (a) Si@Cu@rGO的XPS测量谱;(b) Si 2p， (c) Cu 2p， (d)C 1s高分辨率XPS图谱。

 
图5. (a) TGA曲线;(b)制备的复合材料的FT-IR图;(c) Si@Cu@rGO复合材料的N₂吸附-解吸等温线和(d)孔径分布。

 
图6. (a) Si@rGO和(c) Si@Cu@rGO阳极在0.1 mV/s时的CV曲线;(b) Si@rGO和(d) Si@Cu@rGO在100 mAg^-1时的充放电曲线。

 
图7. 电流密度为(a) 0.1 Ag^-1和(b) 1 Ag^-1时的长循环性能图像;(c)倍率性能;(d) Si@Cu@rGO的优点。

 
图8. (a)循环前和(b)循环50次后Si, Si@rGO和Si@Cu@rGO的Nyquist阻抗图。

 
图9. 循环前(a, g) Si， (b, h) Si@rGO和(c, j) Si@Cu@rGO的表面和截面的SEM图像; 在1Ag^-1时150次循环后(d, j) Si， (e, k) Si@rGO和(f, l) Si@Cu@rGO的表面和截面的SEM图像。

 
图10. (a) 0.1 Ag^-1和(b) 1 Ag^-1电流密度时Si@Cu@rGO-n (n=1,2,3)的长循环性能;(c) Si@Cu@rGO-n (n=1,2,3)的倍率性能。

       相关研究成果由北京化工大学化工资源有效利用国家重点实验室、碳纤维及功能高分子教育部重点实验室、北京市水处理环保材料工程技术研究中心Jing-Zhou Chen等人于2023年发表在Journal of Alloys and Compounds (https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2023.169681)上。原文：Graphene confined core-shell Si@Cu nanoparticles as integrated anode with enhanced capacity and high-rate performance for Li-ion batteries。

转自《石墨烯研究》公众号