新型電池負極材料石墨二炔 提升電池效率和穩定性

2020-12-04 中國科技新聞網

蓋世汽車訊 鋰離子電池通常採用石墨類碳材作為負極材料。據外媒報導，科學家們研究新型二維碳網狀物，即碳納米纖維膜石墨二炔，在電池應用中的適用性。

石墨二炔和石墨烯（石墨烯是單原子層石墨）一樣又平又薄，但是孔隙率更高，而且可以調整電子性能。據研究人員介紹，利用特製前體分子，採用簡單的自下而上的合成方法，可以製備這種材料。

在鋰離子電池中，碳材料是最常見的負極材料。在電池循環過程中，受益於碳材料的層狀結構，鋰離子可以出入層間空間，而且這類材料具有高導電性二維六邊形晶格，可以形成穩定的多孔網絡，有效滲透電解液。然而，碳材料大多是通過自上而下的合成方法，利用聚合碳材料製備而成，因此，想要對結構和電化學性能進行微調比較困難。

石墨二炔（Graphdiyne）是一種混合二維網狀物，由兩個乙炔單元連接的六邊形碳環構成。石墨二炔被認為是一種可用於分離同位素或氦的納米纖維網狀膜，然而，由於獨特的電子性質和網狀結構，適合於電化學應用。中國科學院的Changshui Huang及其同事，研究特定電子調節石墨二炔衍生物的鋰存儲能力和電化學性能。

科學家們通過在銅箔上添加前體分子，以自下而上的方式合成了石墨二炔衍生物，其中，銅箔自組織形成有序的層狀納米結構。利用具有有趣電子性質的官能團單體，所製備的功能性石墨二炔，具有獨特電化學和形態性質。據介紹，在這些官能團中，那些具有吸電子效應的官能團，能夠減小石墨二炔的帶隙，並且提升電導率。氰基基團尤其有效，在作為負極材料使用時，通過氰基調整的石墨二炔表現出優異的鋰存儲能力，並且可以在經過數千次循環後保持穩定的性能。

相比之下，研究人員發現，通過大量的甲基官能團調整石墨二炔，官能團可以為石墨二炔網狀物提供電子，使層間距變得更大，導致材料結構不穩定。在這種情況下，負極材料只能承受幾個充放電循環。研究人員還將這兩種改性石墨二炔材料與一種只有氫佔據官能團位置的「空」材料進行了比較。

研究人員表示，可以通過自下向上的方法，製備改性石墨二炔。這種策略也很適合用於構建功能性二維碳材料結構，以用於電池、電容器和其他電催化裝置。

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