Anoda Komposit Si/Grafen Tinggi Kapasitas yang Dibuat melalui Reduksi Termal Magnesium untuk Baterai Li-Ion
Abstrak
Kami melaporkan rute baru dan scalable untuk sintesis anoda komposit silicon/grafen (Si/G) melalui generasi in-situ nanopartikel SiO₂ pada lembaran grafen diikuti oleh reduksi termal magnesium. Material MR‑Si/G yang dihasilkan menggabungkan distribusi seragam partikel Si skala nano dalam matriks grafén konduktif, mengurangi ekspansi volume 400 % dari silicon dan meningkatkan konduktivitas elektronik. Pengujian elektrokimia dalam sel koin 2032 menunjukkan kapasitas reversibel 950 mAh g⁻¹ pada 50 mA g⁻¹ setelah 60 siklus, menunjukkan stabilitas siklus yang unggul dan densitas energi tinggi untuk baterai Li-ion generasi mendatang.
Latar Belakang
Silicon menawarkan kapasitas teoretis (~4200 mAh g⁻¹) sepuluh kali lebih tinggi dari grafit komersial, tetapi penggunaan praktisnya dibatasi oleh perubahan volume besar dan kehilangan kapasitas yang cepat. Strategi terbaru—nanostrukturisasi silicon, menanamnya dalam matriks karbon, dan menggunakan grafén—telah meningkatkan performa, namun tantangan masih ada. Dalam pekerjaan ini kami menggabungkan precursur SiO₂/grafén hidrotermal dengan reduksi termal magnesium untuk menghasilkan komposit Si/grafén yang kuat dan tinggi kapasitas.
Eksperimen
Sintesis material. Oksida grafen (GO) disiapkan dari grafit flake melalui metode Hummers yang dimodifikasi. GO (1 mg mL⁻¹) dicampur dengan etanol, CTAB, dan TEOS, diikuti oleh penyesuaian pH 10 dengan ammonia dan perlakuan hidrotermal pada 180 °C selama 10 jam. Komposit SiO₂/GO yang dihasilkan dikeringkan dan diikuti oleh reduksi termal magnesium: rasio berat 1:1 komposit terhadap bubuk Mg digiling, dipanaskan pada 800 °C selama 4 jam di bawah Ar, kemudian dicuci dengan 1 M HCl untuk menghilangkan sampingan MgO. Komposit MR‑Si/G akhir mengandung sekitar 70 wt % Si.
Karakterisasi. Komposisi fase dievaluasi oleh XRD (D/max 2500PC); morfologi oleh FE‑SEM (SUPRA55) dan TEM (JEM‑2100). Spektrum Raman dan FTIR direkam pada Renishaw RM2000 dan NICOLET 560, masing-masing. Kandungan Si dikuantifikasi oleh TGA (NETZSCH TG 209F1 Libra) dari 25 °C hingga 800 °C di bawah udara. Performa elektrokimia dievaluasi dalam sel koin 2032 (80 % MR‑Si/G, 10 % Super‑P, 10 % CMC) pada foil Cu, dengan elektroda logam Li dan elektrolit 1 M LiPF₆ dalam EC/DMC/EMC (1:1:1). Uji siklus dilakukan antara 0,01–3 V pada 50 mA g⁻¹.
Hasil dan Diskusi
Mekanisme sintesis. Skematik (Gambar 1) menggambarkan pembentukan nanopartikel SiO₂ pada GO, diikuti oleh reduksi Mg-assisted menjadi Si logam yang tertanam dalam jaringan grafen. Pola XRD (Gambar 2) mengonfirmasi hilangnya puncak GO dan keberadaan Si kristal, sementara pencucian asam menghilangkan sisa MgO. Spektrum Raman (Gambar 3) menunjukkan puncak Si pada sekitar 516 cm⁻¹ dan rasio I_D/I_G yang meningkat (dari 0,93 menjadi 1,19), menunjukkan integrasi Si yang berhasil dan peningkatan defek ringan. FTIR (Gambar 4) menunjukkan getaran Si–O karakteristik, mengonfirmasi transformasi dari SiO₂ menjadi Si.
Mikrostruktur. Gambar SEM/TEM (Gambar 5) menampilkan distribusi seragam partikel Si ~500 nm pada lembaran grafen berkerut, menyediakan buffer mekanis dan jalur konduktif berkelanjutan. TGA (Gambar 6) menunjukkan kandungan Si 70 wt %.
Performa elektrokimia. Kurva charge/discharge tiga kali pertama (Gambar 7) mengungkapkan kapasitas discharge awal 1570 mAh g⁻¹ (MR‑Si/G) versus 3279 mAh g⁻¹ untuk Si murni, dengan efisiensi Coulomb 75,5 % karena pembentukan SEI. Setelah 60 siklus pada 50 mA g⁻¹, MR‑Si/G mempertahankan sekitar 950 mAh g⁻¹, sedangkan Si murni turun menjadi sekitar 125 mAh g⁻¹ (Gambar 7 c). Uji kemampuan laju (Gambar 7 d) menunjukkan kapasitas 1087, 915, 753, dan 671 mAh g⁻¹ pada 50, 100, 200, dan 500 mA g⁻¹, masing-masing, dan memulihkan 950 mAh g⁻¹ saat kembali ke 50 mA g⁻¹.
CV (Gambar 8) mengonfirmasi reaksi aloi Li/Si yang reversibel dengan puncak karakteristik pada 0,16 V (lithiation) dan 0,31/0,50 V (delithiation). EIS (Gambar 9) menunjukkan resistensi SEI yang lebih rendah untuk MR‑Si/G dibandingkan Si murni, menekankan peran grafen dalam meningkatkan konduktivitas dan menstabilkan antarmuka elektroda.
Kesimpulan
Kami telah mengembangkan metode efisien dan biaya rendah untuk menghasilkan anoda komposit Si/grafén melalui sintesis hidrotermal dan reduksi termal Mg. Nanopartikel Si yang tertanam dalam matriks grafik efektif menaklukkan perubahan volume, menghasilkan kapasitas reversibel 950 mAh g⁻¹ setelah 60 siklus pada 50 mA g⁻¹. Material ini menawarkan platform yang menjanjikan untuk baterai Li-ion dengan energi tinggi.
