还原染料/石墨烯复合物用于高能量密度锂离子电池有机正极材料

锂离子电池自上世纪90年代诞生以来,已成为便携式电子产品的首选电源。然而,锂离子电池的发展远远不能满足人们日益增长的能源需求,即高能量和高功率密度的储能电源。进一步提高锂离子电池能量存储能力的关键在于提高电极材料的比容量,尤其是正极材料的比容量。由于传统无机插层类正极材料,如LiCoO2、LiFePO4等,通常只发生单电子转移反应,所以比容量被限制在200 mAh g-1以内,严重影响了锂离子电池的性能。其次,这类材料在制备时会涉及高温并释放大量的CO2,不符合环境友好型材料制备技术。加之钴等矿物资源的储量有限、回收不易和价格昂贵等问题,导致其难以满足锂离子电池在电动汽车和智能电网等领域的大规模应用的需求。

相对于无机正极,有机正极材料可以发生多电子转移反应,因而具有更高的理论比容量;同时有机材料具有分子量低,结构多变,材料性能可灵活设计调控等特点;更重要的是有机正极材料还具有原材料资源丰富的优势,例如,可以从生物质中直接提取;然后通过光合作用进行再循环,符合“绿色、可持续”的可持续发展理念。羰基类化合物,作为典型的有机正极材料,在锂离子电池方面的研究始于20世纪60年代后期。在电化学反应过程中,每一个羰基都可以发生可逆的单电子转移反应,即单电子还原形成单阴离子,再经过单电子氧化重新变回羰基。然而,由于导电性差、在电解液中溶解等问题,导致电池的倍率性能和循环性能均较差。基于此,科研人员提出了优化分子结构、将活性基团接枝到导电基底上、将羰基类小分子聚合形成高分子,以及采用固体电解质等方法去克服这一问题。最新研究表明,制备有机羰基化合物/碳基复合材料也是一种非常有效的,用于构建高效有机正极材料的办法。然而目前仍然缺乏行之有效的方法用以大量制备该类复合材料。

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针对以上问题,南京工业大学黄维教授与新加坡南洋理工大学于霆教授课题组合作,提出了一种简单、高效制备有机正极材料的方法。他们将一系列商用的还原染料(有机共轭羰基化合物)与氧化石墨烯溶液进行共混超声,然后通过水热处理,得到了三维杂化结构的还原染料/石墨烯复合材料。超声过程中剥离的还原染料分子在水热过程中由于π-π作用力吸附到石墨烯片层上,这不仅可以增加电极材料与电解液的接触面积,还可以有效地抑制活性材料在电解液中的溶解。另一方面,由此形成的三维结构也缩短了锂离子扩散长度,确保了电子的快速传递。因此,所制备的还原染料/石墨烯复合物,如还原绿8 /石墨烯、还原棕BR/石墨烯和还原橄榄T/石墨烯,在用于锂离子电池正极材料时,均表现出良好的电化学性能,

即高的比容量,优异的循环稳定性和优良的倍率性能。该方法为高储锂性能有机电极材料的发展提供了新的方向,同时对有机电极材料的实际应用也具有指导性意义。相关论文发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.201603603)上。

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