高能量密度柔性锂离子电池石墨烯/硅/导电聚合物电极的制备及性能研究

Devoting to solve the problems of low energy density, weak bonding between active materials and poor dynamic cycle life for current flexible lithium-ion batteries (LIBs), the project will plan to design and fabricate the electrodes of graphene/silicon/conductive polymers, and systematically investigate their application in flexible LIBs. The experimental conditions and parameters of the preparation for electrode materials will be optimized. The mechanism of enhanced bonding strength between graphene and silicon by conductive polymers will be revealed. The effects of modification of conductive polymer on improving the electrical properties, surface and interfacial properties of electrodes also will be investigated. And the effects of structure, morphology, composition, mechanical flexible properties of flexible graphene/silicon/conductive polymers electrodes on the electrochemical performance under dynamic bending state will be studied. We expect to assemble a prototype device of flexible LIBs with a energy density higher than 400 Wh/Kg, a cycle life longer than 500 times, and a capacity retention larger than 85%. The project implementation will provide reliable basic experimental data and valuable technical solutions for developing flexible LIBs with high energy density and long cycle life.

本项目致力于解决柔性锂离子电池能量密度低、活性材料间结合作用弱及动态循环寿命短等问题，拟在纳米尺度上设计和制备柔性石墨烯/硅/导电聚合物复合材料，系统研究其在柔性锂离子电池中的应用。项目将对制备电极材料过程中的实验条件和参数进行优化并揭示导电聚合物强化石墨烯和纳米硅结合的机制。研究导电聚合物的修饰对改善电极电学性质、表面以及界面特性的作用；研究柔性石墨烯/硅/导电聚合物电极的结构、形貌、成分、机械柔韧性能对电极在动态弯曲状态下电化学性能的影响规律。组装出能量密度≥400Wh/Kg，循环次数≥500次，容量保持率≥85%的柔性锂离子电池原型器件。项目的实施将为能量密度高、循环寿命长的柔性锂离子电池的研发提供可靠的基础实验数据和有价值的技术方案。

本项目设计和制备了柔性石墨烯/硅/导电聚合物复合材料，研究了其在锂离子电池中的应用。采用原位聚合法，以硅和吡咯为原料合成了Si/PPy导电聚合物复合材料，外表面的PPy包覆层在提高Si材料导电性的同时，也有效隔离其与电解质的直接接触，避免不稳定SEI膜的形成。同时，PPy优异的机械性能，可有效抑制Si的体积膨胀，防止其粉化。储锂测试表明，复合材料电极在500 mA/g电流密度下，经过了400次充放电循环后，可逆放电比容量高达1178 mAh/g。当电流密度高达2000 mA/g时，电极在750次循环之后，可逆放电比容量仍在500 mAh/g以上。采用简单的搅拌和热还原，以聚乙二醇、Si纳米颗粒为原料，并通过石墨烯的桥联来制备具有多级包覆结构的Graphene@C-PEG@Si NPs复合材料，获得了良好的循环性能和倍率性能。在4200 mA/g的大电流密度下循环100次，电极比容量仍保持在430 mAh/g以上。采用化学氧化和真空抽滤相结合的方法制备了具有柔性自支撑结构的RGO/Si NPs/PANI复合材料。在复合材料中，Si颗粒外层的石墨烯可有效缓解硅的体积效应，增加硅材料的导电性；聚苯胺桥联复合材料中的硅与石墨烯，增大了二者之间的导电性。储锂性能测试表明，组分比优化的复合材料具有高的质量比容量、优异的循环稳定性和倍率性能。在100 mA/g的电流密度下循环100次后，电池的放电容量仍高达1500 mAh/g。利用真空抽滤结合冷冻干燥的方法制备了具有柔性自支撑结构的RGO/Si-NPs/PPY复合材料。具有柔性的石墨烯包覆层不仅提高了Si纳米颗粒的导电性，还有利于保持材料结构的完整性。导电聚合物PPY可在活性材料之间构建一个交联的三维导电网状结构，提高了循环过程中电极结构的稳定性。当用作锂离子电池负极时，RGO/Si-NPs/PPY复合材料表现出较高的比容量和良好的循环稳定性，在电流密度为500 mA/g下循环1000次，电极的可逆放电比容量保持在1000 mAh/g以上。同时，组装的柔性电池在电流密度1000 mA/g下经过150次循环（二次对折），其充电比容量有204.2 mAh/g（约714 Wh/kg），容量保持率为86.6 %；经过500次动态对折测试，电池的充电比容量仍有95.3 mAh/g（约330 Wh/kg）。