Graphene-on-graphene: 一个新型高效的电极材料

在线扑克 src=”https://www.materialsviewschina.com/wp-content/uploads/2014/10/Small3.jpg” alt=”Small” width=”345″ height=”248″ />新型电极材料的设计对锂离子电池的性能有至关重要的影响。锂电池的负极一般由石墨、炭黑、聚偏二氟乙烯(PVDF)和N-甲基吡咯烷酮(NMP)混匀为泥浆涂在铜片上制备而成。该涂抹法不仅步骤繁琐而且不导电的粘结剂PVDF大大更加了电池的内阻。更令人担忧的是,作为金属集流器的铜片在电池的循环过程中也会出现被电解液腐蚀的情况,进一步降低了电池的比电容值和循环寿命。

针对这一难题,北京理工大学曲良体教授研究组设计了平面石墨烯膜支撑多孔排列石墨烯结构的新型电极材料。首先通过化学气相沉积法制备出少数曾的石墨烯薄膜,进而通过原位还原的方法组装方法将三维石墨烯结构沉积于其表面。这种材料可以作为无粘结剂、无金属集流器的锂离子电池负极材料,显著地提高了锂离子电池的性能,其电容量为常规石墨负极碳材料的2倍之多。

在这种纯石墨烯的复合结构中,三维多孔的石墨烯具备表面积大、质量轻、高导电性等优点,有利于提高锂离子电池的比电容值,延长它的循环寿命;另一方面,二维平坦的石墨烯膜担当非金属集流器的角色,在电池的充、放电过程中有利于收集和传递电子,同时具有充放电过程中耐电解液腐蚀的性能,这一点是传统的铜、铝等金属集流器无法媲美的。因此,这种巧妙的设计不仅避免了传统锂离子电池涂膜法的繁琐步骤,而且为非金属集流器、无粘结剂的锂离子电池的设计拓宽了思路。纽扣电池测试结果表明:在100 mA/g的电流密度下循环300圈,电容值保持在770 mAh/g,远超过商业化的锂离子电池负极碳材料(372 mAh/g)。相关论文发表在Small,该工作得到了国家科技部973计划,国家自然科学基金,霍英东教育基金的资助。