一、     研究背景

随着全球新能源汽车产业进入规模化增长新阶段，对动力电池能量密度的追求已从技术优化转向材料体系的根本性突破。在此背景下，硅基负极凭借其超越传统石墨近十倍的理论比容量、丰富的地壳储量以及适宜的工作电压，成为迈向下一代高能量密度电池最具潜力的候选材料之一。然而，其商业化进程始终受困于一个固有难题：在与锂的合金化/去合金化反应中，硅会经历高达300%的剧烈体积膨胀与收缩。这种周期性体积变化不仅会引发活性颗粒的破碎、粉化及与导电网络的脱离，导致电极结构失效；更会不断破坏并再生表面的固态电解质界面膜（SEI膜），持续不可逆地消耗电解液与活性锂，从而造成容量加速衰减与库伦效率下降。因此，如何通过材料设计与结构工程，有效束缚硅的体积形变、维持界面稳定，已成为突破当前电池能量密度并推动硅负极实现大规模商业化应用所必须解决的核心科学问题与产业瓶颈。

二、     工作简介

本研究通过简单的静电自组装和真空抽滤方法，设计并制备出一种三明治状硅碳复合材料。将正电荷预处理过的硅纳米颗粒在静电引力的作用下锚定在氧化石墨烯（GO）的片层空隙中，柠檬酸（CA）不仅可以作为黏合剂进一步交联硅纳米颗粒和GO片层，同时在炭化后还可以作为第二缓冲层来提高材料的结构稳定性。在这种三明治状结构设计中，硅纳米颗粒被连续导电的石墨烯网络紧密地包裹，不仅可以缓冲硅的体积膨胀，还能改善电子/离子在整个电极上的传输和扩散速率，极大地提高了锂离子电池负极材料的循环和倍率性能。此外，还研究了不同Si/rGO质量比（0.5，1和2）对材料电化学性能的影响。Si/rGO 质量比为1的复合材料具有较为理想的硅碳比例，不仅可以改善硅基材料的体积膨胀问题，而且比容量仍能维持在一个较高的水平。

三、     核心图文解析

将经十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）修饰后的正电硅纳米颗粒与超声后的GO溶液混合。在加入CA后，经真空抽滤、冷冻干燥及氮气氛围下热处理制得由硅颗粒核层夹嵌在还原氧化石墨烯（rGO）层间的rGO/Si/rGO材料。

图1 rGO/Si/rGO的合成示意图

纳米硅颗粒锚定在rGO纳米片层之间，有效地减弱了石墨烯片层之间的堆叠问题，同时通过导电的rGO网络将硅颗粒连接在一起，改善了负极材料的导电性和离子传输能力。

图2 （a）rGO，（b）Si/rGO，（c）rGO/Si/rGO-1，（d）rGO/Si/rGO-2，（e）rGO/Si/rGO-3的SEM图；（f）rGO/Si/rGO-2的EDS Mapping（Si（绿），C（红））；rGO/Si/rGO-2的（g）TEM图以及（h，i）HRTEM图

石墨烯与无定形碳的包覆并未改变硅内核的晶格结构，但引入了丰富的结构缺陷，这些缺陷可作为额外的锂离子活性位点，并促进电解质在电极中的浸润。氮气吸/脱附测试显示材料具有典型的IV型等温曲线，证实其拥有发达的介孔结构。随着复合材料中rGO含量的增加，其比表面积因rGO的高比表面特性而显著增大，平均孔径则相应减小。这种高比表面积与丰富的介孔结构协同作用，大幅增加了电解质与电极的接触界面，促进了电解质的渗透，缩短了锂离子的扩散路径，从而加速了离子迁移并提升了整体电化学性能。

图3 （a）XRD谱图；（b）拉曼谱图；（c）在空气下的热失重图；（d）rGO/Si/rGO-2的XPS全谱图；（e）Si 2p、（f）C 1s和（g）O 1s的高分辨XPS谱图；（h）N₂吸脱附曲线；（i）孔隙率分布曲线

对纳米硅颗粒进行碳包覆后，直接暴露在外的活性硅减少，硅基材料的结构可逆性得到明显改善。rGO/Si/rGO-2表现出最优的循环与倍率性能，这主要得益于其较为理想的硅碳比例：适量的硅确保材料具有高比容量的基础，而适度的rGO则构建高导电网络，有效促进电荷传输并缓冲硅在循环中的体积膨胀。硅与碳组分间的这种协同效应，使活性材料的储锂能力得到充分发挥，从而获得了最佳的电化学性能。

图4 （a）Si和（b）rGO/Si/rGO-2的CV曲线；（c）不同电流密度下的电压-容量曲线;（d）倍率性能；（e）在0.5 A g^-1下的循环性能；（f）在0.5 A g^-1下第100，150和200圈的电压-容量曲线；（g）在0.1 A g^-1和1 A g^-1下的电压-容量曲线；（h）在1 A g^-1下的循环性能

图5 循环300圈前后的EIS曲线

图6 在1 A g^-1下循环300圈前后的极片SEM图

四、结论

以CA衍生的无定形碳和GO为碳源，通过简单的静电自组装和真空抽滤方法，设计并制备出一种三明治状硅碳复合材料rGO/Si/rGO。在该结构中，硅颗粒被嵌入到相邻的GO片层之间，其间的充裕空隙与GO自身的柔韧性，能有效缓冲硅在充放电过程中巨大的体积变化。同时，CA热解产生的无定形碳不仅能作为二次缓冲层和黏结剂，更与GO共同构建了一个贯穿整体的连续导电网络，显著提升了材料的整体导电性，并缩短了锂离子扩散路径，从而最大化活性物质的锂存储能力。得益于上述巧妙的结构设计，Si/rGO 质量比为1的复合材料rGO/Si/rGO-2表现出优秀的电化学性能：在0.5 A g^-1电流密度下循环200次后容量维持在946.6 mAh g^-1，容量保持率为95.3%，同时表现出良好的倍率性能，即使在2 A g⁻¹的高电流密度下，仍然可以保留1005.1 mAh g⁻¹的高比容量。这种三明治状硅碳复合材料合成过程简单，成本低廉且绿色环保，可为锂离子电池负极材料的开发提供参考。

New Carbon Materials 文章信息： 

李枢淳，朱帅波，马成，等. 用于高性能锂离子电池的三明治状石墨烯/硅/石墨烯复合材料[J]. 新型炭材料（中英文），2025，40(6): 1304-1318.

Shu-chun LI, Shuai-bo ZHU, Cheng MA, et al. A sandwich rGO/Si/rGO material as a high-performance anode material for lithium-ion batteries[J]. New Carbon Materials, 2025, 40(6):1304-1318.

文章链接：https://cstr.cn/32158.14.S1872-5805(25)60968-1

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