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       硅負(fù)極的合理設(shè)計是應(yīng)對固體電解質(zhì)界面破裂導(dǎo)致的體積膨脹、硅電導(dǎo)率差和容量衰減等挑戰(zhàn)的有效手段。我們設(shè)計了一個石墨烯限制Si@Cu核殼結(jié)構(gòu)(Si@Cu@rGO)作為集成陽極，其中硅納米表面的銅殼增強了硅顆粒和石墨烯之間的電子導(dǎo)電性。同時，銅殼和石墨烯的柔韌性有助于抑制循環(huán)過程中電極形態(tài)的變化，并保持電極材料與集電極之間的良好接觸。石墨烯包層不僅有效地阻止Si@Cu納米顆粒的聚集，還為鋰化過程中硅的膨脹提供了足夠的空間，而三維氧化還原石墨烯層構(gòu)建了導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，加速了電池的反應(yīng)動力學(xué)。通過這種設(shè)計，Si@Cu@rGO具有令人滿意的電化學(xué)性能。經(jīng)過70次倍率性能測試，Si@Cu@rGO的比容量達到2243.1 mAh g^-1。

 
圖1. 核殼Si@Cu/rGO制備示意圖。

 
圖2. (a)復(fù)合材料的XRD譜圖包括立方硅的參考譜圖;(b)復(fù)合材料拉曼光譜。

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

 
圖4. (a) Si@Cu@rGO的XPS測量譜;(b) Si 2p， (c) Cu 2p， (d)C 1s高分辨率XPS圖譜。

 
圖5. (a) TGA曲線;(b)制備的復(fù)合材料的FT-IR圖;(c) Si@Cu@rGO復(fù)合材料的N₂吸附-解吸等溫線和(d)孔徑分布。

 
圖6. (a) Si@rGO和(c) Si@Cu@rGO陽極在0.1 mV/s時的CV曲線;(b) Si@rGO和(d) Si@Cu@rGO在100 mAg^-1時的充放電曲線。

 
圖7. 電流密度為(a) 0.1 Ag^-1和(b) 1 Ag^-1時的長循環(huán)性能圖像;(c)倍率性能;(d) Si@Cu@rGO的優(yōu)點。

 
圖8. (a)循環(huán)前和(b)循環(huán)50次后Si, Si@rGO和Si@Cu@rGO的Nyquist阻抗圖。

 
圖9. 循環(huán)前(a, g) Si， (b, h) Si@rGO和(c, j) Si@Cu@rGO的表面和截面的SEM圖像; 在1Ag^-1時150次循環(huán)后(d, j) Si， (e, k) Si@rGO和(f, l) Si@Cu@rGO的表面和截面的SEM圖像。

 
圖10. (a) 0.1 Ag^-1和(b) 1 Ag^-1電流密度時Si@Cu@rGO-n (n=1,2,3)的長循環(huán)性能;(c) Si@Cu@rGO-n (n=1,2,3)的倍率性能。

       相關(guān)研究成果由北京化工大學(xué)化工資源有效利用國家重點實驗室、碳纖維及功能高分子教育部重點實驗室、北京市水處理環(huán)保材料工程技術(shù)研究中心Jing-Zhou Chen等人于2023年發(fā)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。

轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號