原位构筑高性能石墨烯电极研究取得重要进展

锂离子电池和超级电容器因其具备的高能量密度或高功率密度的特点成为现阶段能量储存研究的热点。然而,锂离子电池和超级电容器各自有其不可避免的缺点。锂离子电池有限的功率密度和超级电容器有限的能量密度都在一定程度上限制了它们的进一步应用。因此,如何优化电极材料实现同时具有高能量和高功率密度的能源存贮器件成为储能研究的焦点。近年来,大量的研究着眼于电极材料的优化设计,如将电极材料纳米化,增加导电添加剂,和掺杂杂原子等方法。这些已经报道的方法各有优势并在不同的应用范围内取得了相应的进展,但尚没有有效的方法可以实现大电流充放电下保持优异的循环性能和倍率性能。

近日,中科院长春应化所张新波课题组利用原位自组装的方法,以氧化石墨烯为原料,以聚苯乙烯球为模板,在表面活性剂辅助下原位构筑了新型的具有中空多孔结构、氮硫共掺杂的石墨烯一体化电极。此方法实现了多级孔道结构、高导电网络、杂原子掺杂在一个石墨烯电极上的完美结合,而且整个电极一次成型省去了传统电极的复杂制备程序。实验结果表明相对于原始的石墨烯,同时具有结构和掺杂效应的容量增加值远大于具有单个效应的增加值之和。首次证实了石墨烯储锂过程中结构和掺杂的协同效应。借助于这种结构和掺杂的协同效应,新型的石墨烯一体化电极作为锂离子电池负极在80 A g-1的大电流密度下,容量仍有220 mAh g-1,电池可在10秒内完成充电,循环3000次容量不衰减,呈现出超高的功率密度达到116 kW kg-1,同时保持了较高的能量密度322 Wh kg-1,并且能够在宽温区-20 oC到55 oC范围内使用。

这种新型电极的成功为研究同时具有高能量密度和高功率密度的能源存储器件提供了新思路。通过原位合成得到的一体化电极避免了导电性较差的粘结剂的使用,简化了电极的制备过程,有利于电极材料的大规模应用,可以扩展应用于金属空气电池,燃料电池等其他储能体系中。上述成果近期发表在ACS Nano, 7 (3), 2422-2430上,并成为该期刊2013年前四个月被读者访问最多的文章之一