三维石墨烯气凝胶/电镀硅柔性复合材料制备及其储锂性能研究

The fabrication of high capacity flexible electrode is the core to realize a flexible lithium-ion battery with high capacity. We propose to combine three-dimensionally flexible graphene aerogel and high capacity silicon anode material to fabricate a new composite―three-dimensional graphene aerogel/electrodeposited silicon flexible composite, which will be applied as the negative electrode material in lithium-ion battery. By combining the electrochemical properties of the composite, we will explore and understand the impact of the mechanical properties and the three-dimensionally conductive network on the electrochemical performances of the flexible composite. Then, we can engineer their battery performances by manipulating the structures, compositions, etc., of the flexible composite. Finally, we expect to obtain an optimized flexible anode with high charge/discharge capacity and stable cycling performance, which will contribute to the development of the flexible lithium-ion batteries.

高容量柔性电极的制备是实现高容量型柔性锂离子电池的关键。本申请项目拟将三维柔性石墨烯气凝胶与高容量的硅负极材料结合，构造出一种新颖的复合材料—三维石墨烯气凝胶/电镀硅柔性复合材料，并将其应用于锂离子电池负极。结合研究该复合电极的电化学性能，探索其机械性能以及三维网络结构对电池性能的影响规律和作用机制。同时，通过优化实验工艺，实现该复合材料结构、成分等以及锂离子电池性能间的有效调控，最终获得具有高充放电容量和循环稳定的柔性负极材料，为新型柔性锂离子电池的发展奠定工作基础。

现代电子产品正朝着便携、超轻、柔性的方向快速发展，而传统的电池如锂离子电池等大都是刚性结构，无法满足柔性电子产品的需求。因此，具有高容量的超轻柔性锂离子电池的研究与开发成为一个新的发展方向。高容量柔性电极的制备是实现高容量型柔性锂离子电池的关键。本项目通过多种方法制备了具有三维网络结构的石墨烯材料，并采用低成本、易于规模化生产的电镀法制备了具有三维结构的碳纳米管/硅、碳纳米管/金属硫化物柔性复合负极材料。该类柔性负极材料具有良好柔性，可以进行多次弯曲或折叠而不被破坏。结合多种表征手段，深入探讨了该类复合材料微结构对力学性能及电化学特性的影响规律及作用机制。通过优化实验工艺，最终获得了具有高充放电容量和循环稳定的三维柔性负极材料。例如，在充放电流密度为80 mA/g时，三维碳纳米管/硅的体容量可达1579 mAh/cm3 （以活性材料和集流体总体积计算）；当充放电流密度为400 mA/g时，其体容量可达1201 mAh/cm3，以上均是目前文献所报道的硅基柔性电极的最高值。本项目的研究为高容量柔性锂离子电池的进一步发展奠定了工作基础，同时也为其他柔性电池设计提供了指导和参考。