大連化物所:3D碳納米片中石墨烯封裝的氮化鐵,用於鋰離子電池

2021-01-08 材料分析與應用

本文要點：

通過化學吹制和原位氮化過程，開發用於高速率LIB的有效合成限制在3D碳納米片框架中石墨烯封裝的金屬氮化物（例如 Fe 2 N）的通用方法。

成果簡介

具有高理論容量和出色電導率的金屬氮化物作為鋰離子電池（LIB）的高倍率陽極材料具有巨大的潛力，但會遭受嚴重的粉碎和電極的空氣不穩定性的困擾。本文中，開發一種合成幾層石墨烯封裝的過渡金屬氮化物（例如，鐵2N）限制在三維（3D）超薄碳納米片框架（表示為Fe）中的納米顆粒通過硝酸鐵促進的聚乙烯吡咯烷酮（PVP）吹塑和隨後的原位氮化過程， 2N@CNFs中，作為LIB的高速率陽極。得益於石墨烯殼提供的有限的Fe2N納米顆粒，可減輕結構粉碎和空氣敏感性，以及3D碳納米片多孔骨架，可實現快速的電解質離子擴散和快速的電子傳輸，所得的Fe2N@CNFs陽極顯示出高的可逆容量。因此，這項工作將為合理構造一系列用於能源相關設備的高性能金屬氮化物電極鋪平道路。

圖文導讀

圖1。通過硝酸鐵促進PVP聚合物吹塑和隨後的原位氮化過程製備Fe 2 N @ CNFs的示意圖。

圖2。（a）SEM，（b）TEM和（c）Fe @ CNFs前體的HRTEM圖像。（d）Fe 2 N @ CNFs的SEM，（e）TEM和（f）HRTEM圖像。（g）Fe 2 N @ CNF的STEM圖像，以及相應的C，Fe和N元素映射分析。

圖3。（a）Fe @ CNFs，Fe 2 N @ CNFs，Fe 2 N @ CNFs-700的XRD圖譜。（b）N 2吸附和解吸等溫線，以及（c）Fe 2 N @ CNFs的孔徑分布。（d）Fe 2N@ CNFs的Fe2p，（e）C 1s和（f）N 1s XPS光譜。

圖4. （a）在不同掃描速率下獲得的CV曲線

（b）在每個氧化還原峰（峰值電流：i，掃描速率：v）下對應的log i與log v圖。

（c）Fe的贗電容貢獻 2 N @ CNFs電極在不同掃描速率下的。

（d）CV曲線測得的掃描速率為10 mV s -1和相應的偽電容貢獻。

圖5。Fe2N@CNFs陽極的鋰儲存機理的示意圖。

圖7。LiFePO的鋰離子示意圖

小結

通過化學吹制和原位氮化過程，開發用於高速率LIB的有效合成限制在3D碳納米片框架中石墨烯封裝的金屬氮化物（例如 Fe 2 N）的通用策略。此外，由Fe 2 N @ CNFs陽極和LiFePO組裝而成的完整電池實際應用中顯示出很大的希望。將為精細設計新穎的分層結構金屬氮化物電極（為電池和超級電容器中的高性能電化學儲能設備提供許多機會）

文獻

Graphene encapsulated iron nitrides confined in 3D carbon nanosheet frameworks for high-rate lithium ion batteries

相關焦點

  • 大連理工大學在鋰離子電池負極材料研究取得重要成果
    央廣網大連12月1日消息（記者張四清 賈鐵生 通訊員呂東光）近日，大連理工大學材料科學與工程學院黃昊教授的能源材料及器件實驗室在影響因子高達11.553的國際能源領域頂級期刊《Nano Energy》上，發表以「Fe3N constrained inside C nanocages as an anode for Li-ion batteries through post-synthesis
  • 大連化物所納米限域催化理論研究取得新進展
    大連化物所納米限域催化理論研究取得新進展 2015-02-03 大連化學物理研究所 【字體：　　該團隊的實驗研究發現，由彎曲石墨烯片構成的碳納米管納米級管腔，可導致組裝在其內部的金屬納米粒子的特性發生變化，並可能改變分子吸附活化模式甚至反應路徑，從而調變催化反應的性能（PNAS 2013, 100, 14861; Angew. Chem. Int. Ed.
  • 【復材資訊】碳納米管在鋰離子電池中的應用
    碳納米管的應用也是十分廣泛，包括電子領域（電晶體、傳感器等）、生物醫療領域、航空航天（研究用太空飛行器鏡片、複合材料增強體、功能材料）、軍事領域（生化防護服和地雷、爆炸物探測器）、能源領域（超級電容器、鋰離子電池和太陽能熱光伏設備）以及雷射器等。今天我們就來了解一下碳納米管在鋰離子電池中的應用。
  • 大連化物所實現電催化高效分解硫化氫制氫
    大連化物所實現電催化高效分解硫化氫制氫 2020-01-14 大連化學物理研究所 【字體：Mater., 2019, 31, 1901996），開發了一種新型的石墨烯殼層封裝鈷鎳納米粒子的鎧甲催化劑。該催化劑在電催化硫化氫體系中，展現出了優異的催化活性和穩定性。優化後的催化劑電解硫化氫制氫所需要的起始電位比電解水制氫低1.24 V。相同電壓下，其電流密度可達貴金屬鉑碳催化劑的兩倍，並遠高於其他貴金屬、金屬氧化物、碳材料等催化材料。
  • 碳納米管來製造矽陽極鋰離子電池,開拓鋰離子電池電極材料的使用
    打開APP 碳納米管來製造矽陽極鋰離子電池，開拓鋰離子電池電極材料的使用 佚名 發表於 2020-04-08 16:24:27
  • 噴射空法製備的石墨烯/石墨納米片複合材料，用於鋰離子電池陽極
    /石墨納米片複合材料（GGNC）和原始石墨製成紐扣電池1成果簡介 本文，北京航空航天大學 航空科學與工程學院沈志剛教授課題組在《Energy Technology》期刊發表名為「Scalable and High‐Performance Graphene/Graphite Nanosheet Composite Anode
  • 北航：噴射空法製備石墨烯/石墨納米片複合材料用於鋰離子電池
    本文要點： 通過射流氣蝕提出一種具有工業前景的可擴展複合碳基陽極，製備的石墨烯/石墨納米片複合材料（GGNC）和原始石墨製成紐扣電池成果簡介 本文，北京航空航天大學 航空科學與工程學院沈志剛教授課題組在《Energy Technology》期刊發表名為「Scalable
  • 國家納米科學中心在鋰離子電池矽負極方面取得系列進展
    隨著移動電子產品、大規模儲能和電動汽車的快速發展，開發高能量密度、高功率密度、長循環壽命、高安全性的鋰離子及後鋰離子電池已成為當今儲能領域的研究熱點和焦點。發展高容量、高倍率、高穩定性的電極材料是實現這一目標的重要途徑。矽材料由於其豐富的儲量、極高的理論比容量等優勢受到廣泛關注。然而，由於其巨大的體積變化效應和固有的低導電性，矽材料循環過程中容量衰減很快，難以應用於實際化電池中。
  • 大連化物所鈉離子電池聚陰離子型正極材料新進展—新聞—科學網
  • 大連化物所發表碳納米管限域催化研究綜述文章
    繼2008年在英國Chem Comm發表特寫論文（Feature Article）後，受美國化學會《化學研究報告》（Accounts of Chemical Research）邀請，中科院大連化學物理研究所潘秀蓮研究員和包信和院士等近日撰寫綜述文章，詳細報導在限域催化領域研究最新進展，完整詮釋由該研究組發展起來的納米限域催化新概念（
  • 川大：固態盤銑法製備MOS2 /石墨烯納米片，用於鋰離子電池
    Res》期刊發表名為「One-Step Preparation of MoS2/Graphene Nanosheets via Solid-State Pan-Milling for High Rate Lithium-Ion Batteries」的論文，開發了一種新穎的高產率一步法，通過固態平磨將商業化的塊狀MoS 2和石墨剝落製備MoS2 /石墨烯納米片（GNS）。
  • 川大:固態盤銑法製備MOS2 /石墨烯納米片,用於鋰離子電池
    Res》期刊發表名為「One-Step Preparation of MoS2/Graphene Nanosheets via Solid-State Pan-Milling for High Rate Lithium-Ion Batteries」的論文，開發了一種新穎的高產率一步法，通過固態平磨將商業化的塊狀MoS 2和石墨剝落製備MoS2 /石墨烯納米片（GNS）。
  • 大連化物所共軛微孔高分子應用於超級電容器研究獲進展
    大連化物所共軛微孔高分子應用於超級電容器研究獲進展 2017-12-08 大連化學物理研究所 DNL21T3致力於高比能、柔性化、微型化超級電容器開發，開發出系列二維材料，如石墨烯和摻雜石墨烯、黑磷烯、MXene、聚合物和氧化物納米片。此次合作充分發揮了兩個團隊的長處，共同圍繞一個重要研究方向，實現了兩個領域的完美結合，有望推動微孔高分子與超級電容器交叉融合。研究工作得到了國家自然科學基金，國家重點研發計劃等的資助。
  • Nature:石墨烯管作為鋰離子電池的錫陽極,具有高體積/重量容量
    受微電子器件的尺寸以及電動汽車的空間的限制，對具有高體積能量密度的鋰離子電池有巨大的需求。然而，當前的鋰離子電池採用具有低抽頭密度和重量分析能力的石墨基陽極，從而導致較差的體積性能指標。在這裡，通過在機械堅固的石墨烯管中封裝金屬錫的納米顆粒，顯示出具有高體積和重量容量，高倍率性能和長循環壽命的錫陽極。
  • 石墨烯、碳納米管等新型導電劑前景良好,蓄勢待發
    導電劑是添加在鋰離子電池電極中，以建立更高效的導電網絡，提高電池倍率性能和循環壽命的一種材料：鋰離子電池由正極、負極、電解液、隔膜和粘結劑、導電劑等其他附屬材料組成，在目前的鋰離子電池體系中，常用正極材料為過渡 金屬氧化物，如鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰和三元材料等，常用負極材料為石墨、矽基材料等。
  • 大連化物所提出鋅碘單液流電池概念
    大連化物所提出鋅碘單液流電池概念 作者：謝聰鑫 謝小芳 2019-03-03 02:18   來源：瀋陽日報   大連化物所提出鋅碘單液流電池概念電解液利用率近100%大幅提高電池能量密度　　近日，大連化物所儲能技術研究部李先鋒研究員
  • 大連化物所研製出光聚合凝膠電解質並用於固態鈉金屬電池
    近日，中國科學院大連化學物理研究所催化基礎國家重點實驗室二維材料化學與能源應用研究組研究員吳忠帥團隊發展出一種高室溫離子電導率的光聚合凝膠準固態電解質，其表現出優異的室溫離子電導率、寬電化學窗口和出色的柔韌性，並以此構築出高比能、高倍率、長循環性能的鈉金屬電池。
  • 納米石墨烯限域單原子鐵催化劑研究取得新進展—新聞—科學網
  • 佛塑科技:公司與上矽所共同成立了石墨烯動力鋰離子電池研發中心...
    同花順財經4月19日訊，有投資者向佛塑科技提問，公司具備石墨烯概念嗎？公司在石墨烯新材上做了哪些相關研究？謝謝！公司回答表示，公司與上矽所共同成立了石墨烯動力鋰離子電池研發中心，致力於石墨烯在動力鋰離子電池及高分子膜材料的應用研究及產業化工作，重點攻克石墨烯宏量製備、石墨烯在鋰電池中的使用、技術與產品轉化方面等關鍵問題。
  • 大連化物所碳納米管限域催化研究工作取得新進展
    近日，中科院大連化學物理研究所催化基礎國家重點實驗室張帆、潘秀蓮和包信和等在碳納米管的限域催化研究方面取得新進展，相關結果發表在《美國國家科學院院刊》上。 　　碳納米管可認為是由石墨烯片捲曲形成的一維管狀材料，因曲率導致原本對稱分配的π電子云發生畸變，由管內向管外偏移，在管內外形成電勢差。