不堆叠的柱撑石墨烯:催化气相沉积及其在高功率锂硫电池中的应用

图为柱撑石墨烯的结构示意图,该图表示:当两层石墨烯接近时,石墨烯片上的突出起到柱撑功能,从而带有突起结构的石墨烯不会堆叠。

石墨烯是一种二维片状纳米碳材料,具有优异的力学、热学、电学、光学性能以及广泛的应用。但石墨烯间较强的相互作用导致其容易堆叠,多片石墨烯放在一起时易形成层间距仅有0.334nm的多层石墨烯结构。这种片状材料易堆叠的特性降低了材料的比表面积,限制其界面的高效利用,从而使其在储能、催化、复合材料、电子器件等领域应用时宏观性能大打折扣。发展一类防止石墨烯堆叠的新概念与有效方法是促进石墨烯性能利用最大化的关键。

为了攻克纳米材料难分散难关,清华大学化工系张强、魏飞教授研究组发展了柱撑石墨烯这种具有自分散特性的新材料。有别于在石墨烯间层间引入金属氧化物、导电高分子、炭黑、碳纳米管等隔离物以防止其堆叠的思路,该课题组通过催化气相生长调变石墨烯的拓扑结构,获得了具有突起结构的石墨烯。当两层石墨烯接近时,石墨烯片上的突出起到柱撑功能,从而带有突起结构的石墨烯不会堆叠形成0.334nm的多层石墨烯。这种方法克服了石墨烯与其他物质杂化方式带来的石墨烯本体性能的改变及界面复杂的等问题,提供了一种具有本征自分散、不堆叠的新型石墨烯。这种石墨烯的比表面积高达1628 m2 g-1,具有大量的孔径在2-7 nm的介孔,孔体积高达2.0 cm3 g-1,导电率高达438 S cm-1。这种不堆叠的柱撑石墨烯在锂硫电池储能中体现了优异的性能。如果将该材料用于锂硫电池正极,在放电电流密度高达5 C时,锂硫电池的可逆容量可高达1034 mAh g-1,相比磷酸铁锂(170 mAh g-1)等锂离子电池正极材料,其活性材料容量大幅度提高。即使在循环1000次后,其在5 C的电流密度下的可逆容量仍可保持530 mAh g-1。比起活性炭、多孔碳、碳纳米管、普通石墨烯等碳材料,该报道中的柱撑石墨烯分散性好,更加容易构建高效导电网络及畅通的离子通道,使其储能性能得到显著提升,所得的锂硫电池的能量密度、功率密度显著优于商用锂离子电池,从而使其在电动汽车、个人电子产品、以及大规模储能中存在巨大潜在应用。张强指出,这种不堆叠的柱撑石墨烯材料还有望在环境保护、纳米复合材料、电子器件以及个人健康等方面获得有效地应用。这种基于拓扑结构引发的不堆叠特性并不局限于石墨烯,也适用于发展其它具有三维拓扑柱撑结构,从而为纳米材料特性在宏观特性得到充分体现提供了新原理支持。

相关工作于2014年3月3日以《用于高倍率锂硫电池的不堆叠柱撑石墨烯》(Unstacked double-layer templated graphene for high-rate lithium-sulfur batteries)为题发表在学术期刊《自然·通讯》(Nature Communications)。