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【前沿】浙大高超教授团队设计制备出高质量石墨烯微花电极材料

7月19日,《先进能源材料》(Advanced Energy Materials)刊发浙江大学高分子系高超教授团队使用商业化的氧化石墨烯为原料,设计制备出高质量石墨烯微花电极材料的相关实验及研究成果。该论文题为“High-Quality Graphene Microflower Design for High-Performance Li–S and Al-Ion Batteries”。

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近年来,高性能电化学储能装置的需求量大幅上升,于是很多学者都开始投入到对更卓越电极材料的开发和研究中。在这方面,石墨烯基材料吸引了大量目光。由于能提升现有设备性能,并使下一代设备更实用,石墨烯基材料被看作是前景深远的高性能电极材料。

作为电化学储能装置的潜在电极材料,石墨烯具有许多其他传统碳材料和纳米碳材料所没有的优越性。石墨烯物理结构稳定、比表面积大、导电性良好,对大多数电化学储能装置来说,它几乎是一种完美材料。

石墨烯具有高导电性、高比表面积、二维连续结构等特性,可以有效提高多种电化学储能材料的性能(如硅负级,锂过渡金属氧化物正极,硫正极,锂金属负极及空气正极等)。但目前石墨烯在应用于电化学储能领域时仍有一些问题。如,化学气相沉积法可有效制备低缺陷的单层石墨烯,但在材料的产量及成本控制方面难以满足能源领域大规模应用的需求;而化学剥离法及机械剥离法虽然在产量和成本上具有一定优势,但在石墨烯的质量方面有所欠缺,从而限制了石墨烯基电极材料的电化学性能。因此,需要发展一种低成本可量产制备高质量石墨烯的新策略。

研究团队使用商业化的氧化石墨烯为原料不仅保证其低廉的成本和公斤级的生产能力,也保证了石墨烯微花在亚微米级尺寸的连续性。高温热还原修复了石墨烯原子晶格中的缺陷,有效提高了材料的电导率。而石墨烯微花中的纳米级褶皱抑制了高温还原带来的片层重新堆叠的效应,最终形成了平均四层的寡层乱堆叠石墨烯结构。与致密的多层AB堆叠石墨结构相比,这种寡层堆叠结构非常有利于电解质的浸润和活性物质的均匀分布。与目前常用于提高石墨烯基电极性能的杂原子掺杂方法相比,该种无缺陷石墨烯的制备方法在可控性和重复性上更有优势。此外作为一种粉体材料,这种石墨烯微花可直接采用传统的商业化电极涂覆工艺,有利于将来的大规模电池装配。  


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当应用于锂硫电池时,高质量的石墨烯微花-硫复合物的电化学性能超出常用石墨烯-硫复合物,最高达到5.2mAhcm-2的面积比容量。这是因为石墨烯晶格的修复大幅提高了材料的电导率,从而更好地发挥不导电的活性物质硫的容量。同时石墨烯微花中寡层堆叠的石墨烯片可有效促进纳米级硫颗粒在石墨烯片上的均匀分布;其独特的褶皱结构可起到抑制聚硫离子溶解的作用,从而有效提高硫正极的容量及保持率。

当用作铝离子电池的正极时,高质量的石墨烯微花粉末同样表现出优异的电化学性能,超出同类石墨/石墨烯基粉末及块体材料:在0.1-20Ag-1的电流密度下,正极比容量稳定维持在100mAhg-1左右;可在18秒内充满电,循环5000次后没有容量损失。这些优异的电化学性能均得益于高质量石墨烯设计中的关键参数:无缺陷的石墨烯晶格提供了更多的活性位点和更高的电导率,寡层堆叠的石墨烯结构有利于电解液的浸润和离子传输,而亚微米级二维连续的石墨烯片降低了电极电阻。

尽管石墨烯基材料在电化学储能装置(EESDs)应用中具有诸多优点,其实际应用目前尚未得到充分实现,并且还存在一些严重问题。正是这些亟待解决的问题,导致石墨烯基材料目前在很多实际应用中受到阻碍。要解决现有挑战,还需要通过理论计算和实验研究等方式,付出更多努力。相信未来几年内,石墨烯基材料的实际应用将会取得进一步突破,推动能源存储装置实现革命性进展。

相关论文全文发表在 Adv. Energy Mater.Volume 7, Issue 14, July 19, 2017(DOI: 10.1002/aenm.201700051)上。