南開大學:三維交聯石墨烯基蜂窩狀碳複合材料,用於鋰離子電池

2020-12-20 材料分析與應用

本文要點：

1、簡單的浸漬方法將BDT添加到3DGraphene的納米孔中製備BDT / 3DGraphene複合材料。

2、研究了3DGraphene對BDT鋰離子存儲性能的多重影響

成果簡介

由於鋰離子電池的環保，高比容量，低成本和靈活性，有機陰極材料在鋰離子電池中受到越來越多的關注。但是由於固有的低電導率和在極性有機電解質中的高溶解度，它們的應用受到不良的電化學性能的阻礙。

本文南開大學化學學院陳永勝教授課題組在Carbon期刊發表名為「A 3D cross-linked graphene-based honeycomb carbon composite with excellent confinement effect of organic cathode material for lithium-ion batteries」的論文，研究通過將電化學活性8-dihydrobenzo [1,2-b:4,5-b』] dithiophene-4,8-dione (BDT)浸漬到交聯三維石墨烯-製備了基於蜂窩的蜂窩狀碳（3DGraphene），不僅提供了高導電性框架，而且具有來自3D石墨烯網絡的大量相互連接的孔，而且同時克服了有機陰極材料的兩個典型缺點。

納米孔的出色限制作用以及BDT與3D石墨烯之間的強π-π相互作用很大程度上避免了BDT在電解質中的溶解。因此，所獲得的BDT / 3D石墨烯複合材料顯示出良好的倍率性能和循環穩定性及高的可逆比容量。

圖文導讀

圖1。BDT / 3D石墨烯複合材料的製造示意圖

圖2。（a）3D石墨烯和BDT / 3D石墨烯複合材料的質量比為（b）1：1，（c）1.5：1，（d）2：1SEM圖像。

圖3。（a）各種質量比的3D石墨烯和BDT / 3D石墨烯的氮吸附/解吸等溫線和（b）孔徑分布。

圖4。（a）BDT / 3D石墨烯複合材料的EDS元素映射；

（b）3D石墨烯，BDT粉末和BDT / 3D石墨烯複合物的XRD圖譜和

（c）拉曼光譜；（d）BDT和製備的BDT / 3D石墨烯複合材料的TGA曲線。

圖5。（a）前三個循環中BDT / 3D石墨烯的CV曲線，掃描速率為0.1 mV s -1（插圖：擬議的BDT電化學氧化還原機理）；

（b）在第一，第二和第三循環中，BDT / 3D石墨烯複合材料在0.1C下的充放電曲線；

（c）BDT / 3D石墨烯複合物和BDT的速率能力；

（d）BDT / 3D石墨烯和BDT在0.5 C下的循環性能和相應的庫倫效率。

表1、有機陰極複合材料的電化學性能匯總

圖6。第100次循環前後BDT / 3D石墨烯和BDT的電化學阻抗譜。

以上所有結果表明，由於以下原因，具有高電導率和獨特的微觀結構的3D石墨烯可以有效地增強BDT的電化學性能。

首先，填充在3DGraphene納米孔中的BDT以非晶態高度分散，因此為電化學反應提供了更多的活性位點，並能夠充分利用活性材料。

其次，由於豐富的3D石墨烯相互連接的納米孔的約束作用以及3D石墨烯與BDT之間的強π-π相互作用，可以有效地限制BDT在電解質中的溶解。

總之，高導電性的基於石墨烯的多孔碳骨架有助於電子和鋰離子通過整個電極的傳輸。

小結

通過將電化學活性BDT輕鬆浸漬到3D石墨烯基蜂窩碳基質的納米孔中製備BDT / 3D石墨烯複合材料。所有特徵表明，處於無定形且高度分散狀態的BDT已成功加載到3DGraphene的互連孔中。BDT / 3D石墨烯複合材料顯示出優異的電化學結果，在0.1 C 時可逆容量超過210 mAh g -1，良好的速率容量（4.0 C 時100 mAh g -1與40 mAh g -1對於BDT），並在0.5 C的溫度下穩定循環80％的容量保持率（對於BDT僅約為14％）持續200個循環。BDT / 3DGraphene性能的提高可歸因於引入3DGraphene作為基質，它同時提高了電導率並抑制了BDT的溶解。而且，在這項工作中使用的方法可以應用於具有固有的低電導率和在有機電解質中的高溶解度的相同問題的其他有機陰極材料。

參考文獻：

A 3D cross-linked graphene-based honeycomb carbon composite with excellent confinement effect of organic cathode material for lithium-ion batteries

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