【写作竞赛】碳纳米管/石墨烯复合材料电极的性能杠杆:含氧官能团

光、火和电的出现给人类社会带来光明和希望,这也印证着人类文明与科技进步的轨迹。电的出现不仅模糊了昼夜界限,还推动了工业发展,改善了日常生活。随着社会的发展,电能储存的设备要求也越来越高:既要轻巧便携寿命长,还需要具有高比能量高功率特性,以满足日新月异的电子科技和电动汽车的发展。

为实现高要求的电能储存,设计和制备出新型高性能的电池,尤其是锂电池,是一个非常受关注的研究领域,而其关键在于获得性能优异的电极材料。因此,具有独特结构同时又有高电导率、机械和化学稳定、高比表面的纳米碳材料(碳纳米管、石墨烯等)受到越来越多的关注。但与传统的锂电池电极材料相比,碳纳米管有更好的功率表现却受双电层限制而输于能量密度,片层石墨烯的紧密堆积可以得到高密度的能量却限制了其高功率下的表现。因此,如何修饰和优化纳米碳材料是获得高性能碳基电极的关键。

最近,美国MIT的杨少红(Yang Shao-Horn)教授领导的课题组提出了一种新奇而简便的制备方法实现了碳管和石墨烯的高效组合,并通过结构调控得到的电极材料具有很高的质量比能量和体积比能量,相关工作发表在Advanced Functional Materials上(Adv. Funct. Mater. 2013, 23, 1037-1045)。通过真空抽滤分散液,被含氧官能团修饰的碳纳米管和石墨烯复合形成自支撑、无粘合剂的膜材料。由于含氧官能团的引入,以此为正极组成的锂电池具有法拉第反应(≈3V vs. Li),因而极大提高了其质量比能量。通过在H2/Ar下热处理,该材料部分脱氧之后石墨烯片层堆积更紧密,具有更大的密度,因而体积比能量也大幅提高,但这也会在一定程度上降低法拉第反应带来的容量。因此,该课题组通过对其中含氧官能团的组成、功能和调控方法深入细致的研究,在材料密度与法拉第反应之间寻得平衡,最终通过在200 oC下H2/Ar中的热处理,得到了性能最佳的电极材料,当能量密度为5 kW/L时,其体积比能量高达450 Wh/L。含氧官能团之于该碳管石墨烯复合材料,亦如留白之于绘画、调味之于佳肴、激素之于代谢,是调控性能的杠杆。通过对其精巧的控制,可以实现材料性能的最优化,而这均得益于对其功能和作用机理的深入分析和理解。因此,该研究工作对于深入理解复合碳基材料中含氧官能团的作用,并基于此调控材料的表面化学以设计出性能更优异的电极材料具有指导价值。

需要指出的是,该材料也还有很大的改善空间,需要进一步提升其在大电流、高功率下电化学储能性能。