研究背景
为了提高锂离子电池的储能密度，需要探索可以超越石墨的负极材料。硅具有比石墨负极高出近10倍的理论比容量，并且安全可靠，因此是下一代锂离子电池负极材料的最佳选择。但硅作为负极材料需要解决以下问题，锂化过程中体积膨胀较大、电导性较差等。很多研究将材料制备成小尺寸或是各种形状的颗粒，还有些制备表面涂层或是夹层结构等。这些方法较为传统，且有些需要较昂贵的设备。
文章简介
本文报道了一种通过简单气凝胶制备方法加入石墨得到一种凝胶石墨硅负极，方法简单、设备要求简单、成本较低。PVA作为分散剂、石墨作为导电添加剂，将硅颗粒生长在纳米石墨片上。这种电极具有高比容量和良好的循环稳定性，因此是一种具有成本效益的硅负极制备方法。
本文要点
要点一：材料制备
将Si分散在PVA中，加入纳米石墨搅拌形30min成Si/NG悬浮液，90℃下搅拌形成Si石墨凝胶。凝胶通过蒸馏水习题数次。将水凝胶冷冻干燥24h后，在管式炉氮气氛围下800℃加热2h形成贵纳米石墨气凝胶(SNGA)。水凝胶冷冻干燥会产生微孔。将所得样品按照SNGA：纳米石墨：海藻酸钠比例为6：3：1进行浆料调配。
要点二：材料表征
根据TGA曲线显示，材料的SNGA含量为34.65%，Si含量为20.79%。在XRD图谱中发现硅和石墨特征峰显著降低，可能存在非晶态物质覆盖结构导致X射线无法达到硅和石墨。拉曼光谱显示硅和石墨相并没有变化。样品表面可以观察出有纳米颗粒在石墨片上，但是EDS数据显示样品存在氧，SNGA结构中，覆盖纳米石墨片的纳米颗粒是硅/二氧化硅。
图一 硅和SNGA的TGA曲线
图二 (a) XRD 图谱和 (b) 硅、NG 和 SNGA 的拉曼光谱
图三 (a-c)SNGA的SEM图像，(d)TEM图像和(e)相应的SAED模式
图四 不同放大倍率下(a，b)NG电极和(c，d)SNGA/NG电极的SEM图像
要点三：电化学性能
CV曲线中可以观察到第一个循环后，阴极峰和阳极峰的强度增加，说明锂化过程动力学有所改善。从电化学性能图上可以观察到SNGA/NG电极的容量均为最优，具有更高的比容量和良好的容量保持性。在大电流密度下，比容量也依旧保持稳定。
图五 (a) 扫描速率为 0.1 mV s−1 的 SNGA/NG 电极的循环伏安图.(b) SNGA/NG电极在1st(0.09C)， 5th(0.09C)， 25th(0.27C)， 50th(0.45C)， 100th(0.9 C)和 200th(0.09 C) 循环。(c) SNGA/NG、NG和SNG电极在电流密度为100mA g−1时的比容量(相当于 0.09C)。(d) 库仑效率与SNGA/NG、NG和SNG电极的循环数的关系。(e) SNGA/NG、NG和SNG电极在不同电流密度0.1 A g-1下的倍率性能(0.09C)， 0.3 A g-1(0.18C)， 0.5 A g-1(0.45C)和 1 A g-1(0.9C)
总结
本文报道了一种成本低、简单可拓展的硅负极制备方法，制备出气凝胶石墨硅负极。仅添加PVA与石墨，经过冷冻干燥和高温烧结。此电极具有高比容量和良好的容量保持性，即使在大电流密度下，容量依旧保持稳定。
来源：电化学人
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