超分子模板法原位构筑氮掺杂的多孔石墨烯锂离子电池负极材料

22锂离子电池作为绿色、高效的能源存储技术,已经广泛地应用在便携式电子产品的电源设备上,在日常生活中占有重要的一席之地。随着便携式电子产品功能的多样化、复杂化趋势;电动车和智能电网等新兴产业的崭露头角,新一代高能量密度锂离子电池的研发势在必行。目前锂离子电池技术主要用插层化合物作为正负极材料,因而其储能密度受到很大程度的限制。尤其是负极的石墨类材料表现出有限的理论嵌锂容量(372 mAh/g)和较差的倍率性能等缺点,成为了进一步提高锂离子电池能量密度的瓶颈问题。

石墨烯的二维结构可以使锂离子直接吸附到其表面两侧来提高储锂容量,同时因其具备优异的物理化学性质,而被视为是新一代锂离子电池潜在的负极材料。然而,其片层间较强的π-π作用力和范德华力极易诱导石墨烯发生不可逆堆积或团聚,导致石墨烯材料孔结构和边缘结构等活性储锂位点的减少、电子和离子快速传输通道的塌陷、单片层石墨烯独有特性的缺损等一系列问题,并最终降低石墨烯材料的电化学性能。为此,大量的研究都致力于如何阻止石墨烯片层的堆积以及更进一步提高石墨烯的储锂性能,例如增加石墨烯的孔隙率、引入杂原子掺杂等方法。虽然这些方法在增强石墨烯电化学性能上取得了很大的进展,但是目前尚缺乏简便易行的方法来构建具有高杂原子掺杂量、高孔隙率、单层/薄层石墨烯锂离子电池负极材料。

近日,南京工业大学黄维教授IAM团队与新加坡南洋理工大学的于霆教授合作针对这类问题进行了系统的研究,提出以廉价的氰尿酸三聚氰胺超分子为模板和氮源,氧化石墨烯为原料,原位构筑高氮掺杂(12 at%)多孔石墨烯负极材料的方法。他们首先利用三聚氰酸与三聚氰胺之间的超分子聚合得到氧化石墨烯与氰尿酸三聚氰胺的复合物,然后通过煅烧除去易分解的氰尿酸三聚氰胺。由于位于氧化石墨烯片层间的氰尿酸三聚氰胺热分解时会瞬间释放大量的含氮气体(如氨气等),产生较大的内应力,从而使石墨烯片层膨胀形成多孔结构而不会发生堆积;同时这类含氮气体也会在氧化石墨烯脱氧后的活性位点形成原位掺杂,最终得到氮掺杂的多孔石墨烯。基于此结构特点,该材料表现出了良好的电化学性能:在0.2 C充放电电流密度下,经过150次循环之后,可逆容量仍可达900 mAh/g,2.4倍于商用石墨的理论容量;在10 C的电流密度下,其可逆容量仍达356 mAh/g。同时,研究还发现通过调控热处理温度可以调控该材料的孔结构和氮原子掺杂量,进而调控其电化学性能。该方法为发展功能化石墨烯基材料在能源领域中的应用提供了新思路。相关研究成果最近被发表在Advanced Energy Materials期刊上(Adv. Energy Mater., 2015, DOI: 10.1002/aenm.201500559)。

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