图案化技术在锂离子电池硅纳米锥/直立石墨烯复合负极界面研究中的应用

纳米技术与表面包覆对锂离子电池高容量硅负极的发展有重要意义，石墨烯因为其优良的性能而被广泛应用在锂离子电池负极材料中。然而，对于常见的形貌不规则且含有添加剂的硅负极粉末材料，清楚地阐明石墨烯包覆层对硅负极固态电解质界面形成的影响是困难的。本研究设计了一种硅纳米锥/直立石墨烯复合结构作为负极材料，并利用图案化技术使得未包覆石墨烯的区域与包覆石墨烯的区域交替排列在同一极片上，通过直观的对比清楚地展示了直立石墨烯包覆层对硅负极固态电解质界面膜的抑制作用、对电极结构的稳定作用以及对其电化学性能的显著改善。该研究中图案化的硅纳米锥/直立石墨烯复合负极的制备方法见下图1。首先，利用电感耦合等离子体反应离子束刻蚀系统刻蚀硅片得到硅纳米锥极片；然后，利用热灯丝化学气相沉积系统在硅纳米锥上生长直立石墨烯包覆层；最后，将硅纳米锥/直立石墨烯复合负极涂上一层光刻胶后在紫外曝光系统中曝光并显影后得到覆盖图案化光刻胶的极片，利用反应离子束刻蚀系统将未受光刻胶保护区域的直立石墨烯包覆层刻蚀掉，用丙酮除去残胶后便得到了图案化的硅纳米锥/直立石墨烯复合负极。图2给出制备的图案化的硅纳米锥/直立石墨烯复合结构及其在不同电化学循环次数后的形貌图。图形化技术使得未包覆直立石墨烯的硅纳米锥与包覆直立石墨烯的硅纳米锥在电化学循环后形貌的对比更加直接且更有说服力。

链接：http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2017/nr/c7nr04041e

图1. 图案化的硅纳米锥/直立石墨烯复合结构的制备工艺示意图

图2 样品放大后的俯视图和截面图。