氮掺杂氧化石墨烯/多孔硅复合负极的优化：实现高容量长循环锂离子电池的新路径

【编辑推荐】本研究针对硅基负极材料在锂离子电池(LIBs)中体积膨胀(～400%)导致的容量衰减问题，通过乙醇基电解液合成高比表面积(705.82 m2 /g)多孔硅，与氮掺杂氧化石墨烯(NGO)构建复合负极。实验显示30%多孔硅添加量使初始放电容量达841 mAh/g(0.5 A/g)，预锂化处理显著提升循环稳定性，为下一代LIBs提供高性价比负极解决方案。

　　

随着全球能源需求激增和电动汽车(REES)的普及，锂离子电池(LIBs)因高能量密度成为储能领域的中流砥柱。然而传统石墨负极的理论容量仅372 mAh/g，难以满足现代需求。硅(Si)以其4200 mAh/g的超高理论容量被视为理想替代品，但充放电过程中高达400%的体积膨胀会导致电极粉化，造成容量急剧衰减。这一"膨胀魔咒"长期制约着硅基负极的实际应用。

为破解这一难题，伊斯坦布尔大学和格布泽技术大学的研究团队创新性地将多孔硅与氮掺杂氧化石墨烯(NGO)复合，通过独特的乙醇基电解液合成策略，成功开发出兼具高容量和长循环性能的新型负极材料。相关成果发表在《Journal of Energy Storage》上，为下一代高能量密度电池提供了关键技术路径。

研究采用三大关键技术：1)通过HF:EtOH:dH₂
O等电解液体系对n型晶体硅进行阳极氧化制备多孔硅；2)采用计时电流法一步合成NGO材料；3)综合运用FT-IR(傅里叶变换红外光谱)、XRD(X射线衍射)、SEM(扫描电镜)等表征手段分析材料特性，并通过EIS(电化学阻抗谱)评估电极性能。

合成氮掺杂氧化石墨烯
通过三电极体系在5.0 M HNO₃
中采用计时电流法合成NGO，石墨棒作为工作电极，铂丝为对电极，Ag/AgCl(3.0 M KCl)为参比电极。该方法实现了氮原子在石墨烯骨架中的高效掺杂。

表征分析
FT-IR谱图显示所有蚀刻样品均存在Si-O-Si键(1100 cm^-1
)，证实多孔硅表面氧化层的形成。乙醇基电解液制备的样品展现出705.82 m²
/g的最高比表面积(BET测试)，且孔径分布最优化。

结论
电化学测试表明，HF:EtOH:dH₂
O体系合成的多孔硅与NGO复合后，在0.5 A/g电流密度下实现841 mAh/g的初始放电容量，100次循环后仍保持128 mAh/g。预锂化处理有效缓解了SEI(固体电解质界面膜)形成导致的容量衰减，使循环稳定性提升37%。

这项研究的重要意义在于：1)揭示了乙醇基电解液在构建高比表面积多孔硅中的独特优势；2)证实30%硅添加量是平衡容量与稳定性的最佳配比；3)提出的预锂化策略为硅基负极的产业化提供了新思路。该工作通过巧妙的材料设计与系统优化，为突破LIBs能量密度瓶颈开辟了切实可行的技术路线。