背景介绍
随着电动汽车与便携式电子设备对高能量密度、长循环寿命锂离子电池需求的日益增长，硅（Si）因其极高理论比容量被视为理想负极材料。然而，Si在充放电过程中剧烈的体积膨胀导致电极结构破坏与循环稳定性下降，严重制约其实际应用。石墨烯因其优异的导电性、高比表面积和良好机械柔韧性，常被用于复合以缓冲体积变化并提升导电性。
文章亮点
1. 提 出了一种石墨烯/Si/SiOx纳米复合材料的制备策略，通过改进Hummers法与原位溶胶-凝胶法结合，实现了Si/SiOx在石墨烯表面的均匀复合；
2. 复合材料中石墨烯既作为导电骨架提供连续电子传输通道，又作为缓冲层有效缓解硅的体积膨胀，显著提升了电极的结构稳定性与电化学可逆性；
3. 材料作为锂离子电池负极表现出高首次可逆容量、优异倍率性能和长循环稳定性，为发展高性能硅基负极材料提供了新思路与实验依据。
内容介绍
1 实验部分
1.1 主要仪器与试剂
1.2 样品制备
1.2.1 GO的制备
利用改进的Hummers法制备100 mg氧化石墨粉末，加入到100 mL去离子水中，进行超声处理1 h，超声过程中使得氧化石墨剥离，最终获得棕褐色的氧化石墨烯悬浮液[11]。
1.2.2 石墨烯/Si/SiOx纳米复合材料的制备
1.2.3 Si/SiOx纳米复合材料的制备
为了进行对照实验，研究人员另行合成了一种Si/SiOx纳米复合材料（不含石墨烯组分）。该材料的合成工艺，与G/Si/SiOx纳米复合材料所采用的流程完全一致，这一制备流程为深入理解高性能石墨烯膜的特性提供了关键的理论基础。
1.3 物相分析与测试
1.4 电化学性能测试
2 结果与讨论
2.1 石墨烯/Si/SiOx纳米复合材料制备机理
2.1.1 溶胶-凝胶法制备HSQ/GO前驱体复合材料
2.1.2 HSQ/GO前驱体复合材料在H₂/Ar还原气氛下热还原为G/Si/SiOx纳米复合材料的机理
在热还原过程中，反应速率和路径受温度调控显著：温度未超过400℃时，HSQ/GO前驱体复合材料中HSQ的笼状结构发生交联与重构，同时GO表面部分含氧官能团开始脱除。继续加热，当温度进入500～900℃时，Si—H键将经历热分解的过程，激活Si原子的氧化物流动，进而在成核作用下，形成非晶态的纳米区域。在900℃这一关键温度点上，硅晶体开始形成并生长。然而，在温度进一步提升至1100℃并长时间保温的情况下，晶体的生长并未显著增加，形成了石墨烯与硅基氧化物的复合材料。热处理不仅促进了GO的还原，还增强了还原氧化石墨烯吸波剂的还原度，进而改善了其电磁吸波的特性。
2.2 石墨烯/Si/SiOx纳米复合材料的物相分析
2.2.1 XRD分析
图1a展示的是HSQ/GO前驱体复合材料中的HSQ组分与Si/SiOx对照样品的X射线衍射（XRD）谱图，同时附上晶体硅的标准XRD图谱作为参考。
2.2.2 SEM分析
纳米颗粒多数彼此烧结，形成类似哑铃的形态（图2a）。进一步在高倍镜下观察（图2b），可以发现在每个Si/SiOx纳米球的内部，有直径在20~30 nm之间的硅微晶均匀地分布在非晶态SiOx中。
2.2.3 EDS和XPS分析
2.2.4 Raman分析
纯石墨烯的拉曼光谱如图4所示。
2.3 电化学储锂性能分析
2.3.1 循环伏安曲线分析
通过对循环伏安曲线的详细分析，可以深入理解Si/SiOx和G/Si/SiOx-2电极在锂离子电池中的电化学行为。
2.3.2 循环性能分析
2.3.3 倍率性能分析
2.3.4 电化学阻抗分析
3 结论
随着新能源技术的不断进步和电动汽车市场的迅速扩大，对高效能、长寿命的锂离子电池负极材料的需求日益迫切。本研究中石墨烯/Si/SiOx纳米复合材料的成功制备，不仅为满足这一需求提供了新的思路，也为未来的材料研究和应用奠定了坚实的基础。
