有机功能化构筑多功能氮硫共掺杂石墨烯电极

AM

自1991年日本Sony公司在市场上首次推出锂离子电池以来,锂离子电池就凭借其能量密度高、无污染等特点,迅速占领了便携式电子产品市场。然而电动车和智能电网等新兴产业的发展,迫切需要具有更高比容量、更高倍率性能以及长循环稳定性的新一代锂离子电池。当今社会日益增长的能源需求极大地推动着储能材料的研发。

石墨烯由于特殊的二维结构,高的比表面积和优异的导电性能等特点,而倍受科学研究者的关注。作为潜在的锂离子电池负极材料,石墨烯的储锂性能与其结构和形貌息息相关。通过引入N,P,S,或B等杂原子可以有效地改善石墨烯基材料的电化学性能,增强其储能特性。然而,由于石墨烯片层易发生不可逆堆积,以及较低的杂原子掺杂量,尤其是P、S和B等杂原子,使得杂原子掺杂对石墨烯储锂性能的提升比较有限。

最近,新加坡南洋理工大学的于霆教授与南京工业大学的黄维教授课题组合作,提出了有机功能化法制备N和S原子共掺杂的石墨烯负极材料,在较低杂原子掺杂量的情况下,显著地提升了石墨烯的储锂性能。该法首先以邻氨基苯硫酚作为杂原子掺杂的N和S源,通过共价键修饰的方式连接到石墨烯片层上,然后煅烧得到N和S共掺杂的石墨烯。煅烧过程中由于气体分子的释放,可以有效的阻止石墨烯片层聚集,从而得到高比表面积的薄层共掺杂石墨烯。同时,由于N和S两种杂原子间的协同效应,可以产生单一原子掺杂所不具备的新型储锂位点。所以该材料用于锂离子电池负极时,表现出了优异的电化学性能:在200 mA/g的放电电流密度下,该材料在经过500次循环之后,可逆容量可高达1090 mAh/g,远远高于未掺杂的石墨烯负极(420 mAh/g)。同时该材料还具有高倍率充放电能力,即便是在5000 mA/g的充放电电流密度下,在经过1500次循环之后,可逆容量仍可高达297 mAh/g,证明该材料是一种非常有前途的锂离子电池负极材料。此外,该材料在无金属氧还原电催化方面也表现出了较好的电化学性能。作者相信有机共价修饰的策略将为石墨烯基材料的应用提供更加广阔的前景。

Speak Your Mind

*