北化：Na3V2O2(PO4)2F石墨烯氣凝膠用於鈉離子電池

2020-09-11 材料分析與應用

成果簡介

在眾多正極材料中，氟化磷酸釩氧鈉（Na3(VO1-xPO4)2F1+2x）由於兩電子反應以及較高的工作電壓，具有較高的理論容量和能量密度，是一種理想的正極材料。但是由於其相對較低的電導率和反應動力學，其表現並不能滿足商業使用的需求。與碳材料複合是一種很好的改善方法，但是與碳材料的複合勢必會降低電池的容量與能量密度。因此，如何在提升電化學反應動力學的同時保持較高的能量密度是亟需解決的關鍵問題。

本文北京化工大學於中振教授、曲晉副教授團隊在《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊發表名為「Freestanding Na3V2O2(PO4)2F/Graphene Aerogels as High-Performance Cathodes of Sodium-Ion Full Batteries」的論文，研究提出通過採用簡單的水熱自組裝以及冷凍乾燥製備Na3V2O2(PO4)2F/石墨烯氣凝膠（NVPF/GA）直接用作自支撐鈉電正極材料的方法。連續多孔的三維網絡狀結構一方面緩解了NVPF本身電導率較低和反應動力學較差的問題；另一方面可以實現高的負載量並避免了粘結劑和炭黑的使用，從而降低能量密度的損失。

圖文導讀

方案1. NVPF / GA混合體的製備示意圖


圖1.（a）NVPF，（b）GA，（c）NVPF / GA 200，（d）NVPF / GA 300，（e）NVPF / GA 400和（f）NVPF / GA 500的SEM圖像。


圖2.（a）NVPF和（c）NVPF / GA 400混合體的TEM圖像；（b）NVPF和（d）NVPF / GA 400混合體的HRTEM圖像；（e，f）NVPF / GA 400混合體的STEM圖像和（g–l）相應的元素映射圖像。


圖3.（a）NVPF和NVPF / GA雜種的XRD圖譜和（b）FT-IR光譜；（c）GA，NVPF和NVPF / GA雜化物的拉曼光譜；（d）NVPF和NVPF / GA雜種的TG曲線; （e）NVPF和NVPF / GA 400混合動力汽車的XPS寬光譜和（f）V 2p光譜。


圖4. NVPF / GA塗層電極的電化學性能


圖5.鈉離子全電池示意圖


小結

首先通過還原GO和NVPF納米立方的複合組裝，然後進行冷凍乾燥處理，製造出在三維連續石墨烯網絡內部均勻分布NVPF納米立方的NVPF / GA混合氣凝膠。這項工作為製備高性能和穩定SIB的陰極提供了通用方案。


文獻：

相關焦點

  • 走進石墨烯小世界之石墨烯氣凝膠
    但是，由於石墨烯片層間強的範德華力和π-π鍵作用力，使其容易發生不可逆堆疊和團聚，嚴重降低石墨烯本身的性質和有效面積，從而限制了其在某些方面的應用，而將石墨烯片作為基本的構築單元，通過鍵接連接在一起，構建三維宏觀體—石墨烯氣凝膠，是解決石墨烯片層堆疊問題的有效方法之一。
  • 石墨烯氣凝膠獲得*輕材料金氏世界紀錄
    氣凝膠是一種用途廣泛的物質，是世界上密度最小的固體，密度僅為3千克每立方米。這種海綿狀的物體也是絕佳的熱與光學絕緣體，據了解，近年來利用3D印表機就可以製造出這種凝膠。在各種氣凝膠中，石墨烯氣凝膠是關注度最高的一種，因為它可以應用在電子部件的電池和觸媒中。     3D列印石墨烯氣凝膠的正方形樣品非常輕便，可以掛在麥芒上而不會彎曲。
  • 科學家研發世界最輕的3D列印結構——石墨烯氣凝膠
    據了解，由法羅大學、堪薩斯州立大學和中國蘭州大學的三位研究員開發的3D列印石墨烯氣凝膠被金氏世界紀錄評為「最密集的3D列印結構」。3D列印石墨烯氣凝膠重量極輕，每立方釐米僅重0.5毫克，放在棉花或花瓣頂都可以，可以製造出就有複雜微觀結構的超輕石墨烯氣凝膠。
  • 常溫發泡法連續製備石墨烯氣凝膠及其AI應用
    石墨烯氣凝膠（又名石墨烯泡沫、石墨烯海綿等等）是由二維石墨烯片組裝得到的一種超輕多孔材料，在智能傳感、能量儲存、吸附及隔熱隔聲等各領域展示了巨大的應用潛力。目前，無論是模板法或者「溶膠-凝膠」法等，所得到的石墨烯氣凝膠都是從石墨烯前驅體稀溶液而來，組裝結構機械穩定性差，難以經受複雜變形；同時，複雜的冷凍乾燥工藝限制了其大規模連續化與高精度微型化製備，不利於其規模化應用。
  • 北化工:3D石墨烯氣凝膠,用於壓阻傳感器的1D / 2D納米材料
    本文要點：一種新型的納米纖維增強石墨烯氣凝膠成果簡介 基於石墨烯的氣凝膠作為壓阻傳感器具有高的孔隙率然而，同時具有良好的機械性能和優異的感測性能的石墨烯氣凝膠傳感器的製造仍然是一個挑戰。本文，北京化工大學材料科學與工程學院潘凱研究員團隊在《Adv. Funct.
  • Nature子刊:石墨烯氣凝膠的終極光熱效應
    本文要點：證明石墨烯氣凝膠的最終光熱聲（PTA）效率，取決於它們的特定熱和光學性質，可以通過降低其質量密度來實驗性地實現。在這裡，我們證明了石墨烯氣凝膠的最終PTA效率，取決於它們的特定熱和光學性質，可以通過降低其質量密度來實驗性地實現。此外，我們說明氣凝膠在整個可聽範圍內表現為全向源點，沒有諧波失真。
  • 石墨烯氣凝膠應用於高體積比能量鋰硫電池新進展—新聞—科學網
  • 暨南大學:石墨烯氣凝膠微電機,用於主動運輸和微裝配
    本文要點：尺寸可控制的還原氧化石墨烯氣凝膠微球（RGOAM），用作微電機成果簡介 無燃料光碟機動微電機因其具有可逆、無創、遠程操作等優點而受到越來越多的關注。然而，由於水在環境水體中的流動性，運動速度很小，這是一個具有挑戰性的瓶頸。
  • 3D列印新工藝 石墨烯氣凝膠更精細
    好消息是，維吉尼亞理工大學的研究人員們，已經展示了他們新開發的一種 3D 列印石墨烯氣凝膠方案，且其解析度遠高於此前的水準。通常情況下，石墨烯只需要以「單層厚度的碳原子片」的形式出現。儘管其在某些情況下得到了應用，但距離實際投入還很遙遠。
  • 查默斯理工大學研究人員利用石墨烯氣凝膠 或有利於推進鋰硫電池的...
    （圖片來源：Yen Strandqvist/瑞典查默斯理工大學）蓋世汽車訊 據外媒報導，為了適應電氣化未來的需求，需要研發新型電池技術，其中一個選擇就是鋰硫電池，與鋰離子電池相比，理論上來說，此種電池能量密度要高5倍。
  • 超輕型雙網的組裝石墨烯氣凝膠及其在選擇性吸油中的應用
    、纖維素、木質素等添加劑，通常可以得到內部結構發達的高性能石墨烯氣凝膠，這不僅增加了成本，而且使製備過程複雜化。因此，以一種可行的方法來裁剪原始石墨烯氣凝膠的內部結構，以獲得高性能，對實際應用具有重要意義。
  • 北京化工大學：基於3D石墨烯氣凝膠快速響應的壓阻傳感器
    石墨烯氣凝膠通常通過氧化石墨烯的還原與冷凍乾燥製備的但是，氧化石墨烯在製備過程中容易發生團聚，使得氣凝膠孔隙結構不穩定，在較大形變使用時容易發生坍塌，限制其在壓阻傳感器領域的應用。目前，通過控制石墨烯氣凝膠的孔隙結構、對石墨烯進行化學改性、引入納米材料等多種方法來提高石墨烯氣凝膠的傳感性能。此外，研究表明，不同納米材料的引入可協同提高石墨烯氣凝膠的感應性能和力學性能。因此，製備具有良好力學性能和傳感性能的石墨烯氣凝膠傳感器仍然是一個挑戰。
  • 《納米快報》高介孔碳/硫石墨烯氣凝膠,穩定鋰硫電池約束基質
    【科學背景】具有較高的理論比容量（1675 mAh g–1）和出色的能量密度（2600 Wh kg–1）的鋰硫（Li–S）電池已被廣泛認為是替代傳統鋰離子電池的有前途的替代能源存儲系統（LIB；石墨/ LiCoO2電極小於400 Wh kg-1）。Li-S電池除了具有高能量能力之外，還具有與LIB相比獨特的環保和廉價特性。
  • 復旦等製備出新型碳納米管/石墨烯氣凝膠!
    導讀：本文通過一種簡便的原位水熱法和冷凍乾燥方法，開發製備出一種新型的碳納米管/還原型氧化石墨烯氣凝膠吸波材料。該氣凝膠具有極低的密度，並在18–26.5 GHz頻率範圍內實現了極強的介電損耗能力。強吸收、寬吸收頻帶，輕薄的性能使得CNT/石墨烯氣凝膠在電磁波吸收材料中具有很好的應用前景。近年來，由於電子行業及無線電通信技術的飛速發展，電磁輻射對人體健康和環境的影響比以往增加了很多。為了減少電磁汙染，電磁波吸收材料受到越來越多的關注，這種材料可以通過它們的固有的磁性和介電損耗去衰減電磁能量將其轉化為熱能。
  • Interfaces》:石墨烯氣凝膠微電機,用於主動運輸和微裝配
    尺寸可控制的還原氧化石墨烯氣凝膠微球（RGOAM），用作微電機無燃料光碟機動微電機因其具有可逆、無創、遠程操作等優點而受到越來越多的關注
  • Interfaces 青島科大張建明教授團隊在規模化製備石墨烯氣凝膠取得重要進展
    目前，石墨烯氣凝膠的一個顯著缺點是柔韌性較差，彎曲時易破裂，嚴重製約了該材料的應用領域。近期，青島科技大學高分子學院張建明教授團隊基於氣泡模板法，將天然膠乳粒子成功地複合到了氣凝膠的孔壁中，形成了仿玫瑰花表面的石墨烯孔壁結構，顯著增加了材料的韌性，同時維持了超低的密度（4.6 mg cm-3）。
  • 北京化工大學潘凱《AFM》：新型具有3D互連的分層微觀結構的納米纖維增強石墨烯氣凝膠
    氣凝膠。石墨烯氣凝膠通常通過氧化石墨烯的還原與冷凍乾燥製備的。但是，氧化石墨烯在製備過程中容易發生團聚，使得氣凝膠孔隙結構不穩定，在較大形變使用時容易發生坍塌，限制其在壓阻傳感器領域的應用。目前，通過控制石墨烯氣凝膠的孔隙結構、對石墨烯進行化學改性、引入納米材料等多種方法來提高石墨烯氣凝膠的傳感性能。
  • 吉林大學:通過不飽和水蒸氣還原形成任意形狀的氧化石墨烯氣凝膠
    探索用於製造低密度和高純度以滿足各種應用的石墨烯氣凝膠的簡便，經濟和環保的方法仍然是一個挑戰。在較高的溫度（≥175°C）下，GO中的碳可能通過水煤氣變換反應與水蒸氣反應生成CO，CO也可用作還原GO氣凝膠的還原劑。水量和溫度是實現rGO氣凝膠高還原度和良好形狀控制的關鍵參數。可以使用各種用於冷凍GO懸浮液的模具來製備任意形狀的rGO氣凝膠。rGO氣凝膠具有很高的油/水分離性能，可以吸收高達其初始重量40-55倍的各種油，並且具有很高的可回收性。
  • 全固態柔性鋁空氣電池的磷摻雜碳點/石墨烯氣凝膠上的氧還原反應
    但是，金屬空氣電池中所需的ORR性能通常受到適度的電催化活性和缺乏實現良好分散性的方法的限制。為了解決這些問題，一種生物質衍生方法可實現碳點的原位磷摻雜（P摻雜）並同時裝飾在石墨烯基體上。獲得P摻雜碳點/石墨烯（P-CD / G）納米複合材料，可以達到碳納米材料的超高P摻雜水平。
  • 國內科研機構氣凝膠最新研究成果梳理
    https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/mame.201900602 3 高活性ZnO-ZrO2氣凝膠用於CO2加氫制芳烴 一般認為混合氧化物表面的氧空位在 CO2 的吸附和活化過程中扮演重要角色。