Advanced Functional Materials:电化学制备锌离子电池用高性能类石墨烯碳膜基底

水系锌离子电池是一种低成本、环保、安全、高容量的新型的多价态二次电池。近年来,通过对正极、锌负极和电解液的广泛研究,锌离子电池的性能已经取得了高达380 mAh g-1的正极容量和接近400 Wh kg-1的能量密度。现有的锌离子电池通常采用不锈钢箔、铜箔、铝箔等正极衬底以及锌负极,这部分重量严重限制了器件整体的能量密度。3D石墨烯具有疏松多孔的多级体结构和比表面较大的类石墨烯表面,作为高容量、轻型的电极衬底可以大大降低器件的重量以获得更高的器件能量密度(180~230 Wh kg−1)。但传统的3D石墨烯合成方法采用石墨烯或者氧化石墨烯作为原材料,能耗高、获得产率低、危险性大。因此,迫切需要开发低能耗、高产量、操作简单的高容量3D石墨烯衬底合成方法。

近日,华北电力大学蔡墨朗教授、丁勇博士、戴松元教授研究团队在Adv. Funct. Mater.期刊上发表了题为“Electrochemically Derived Graphene-Like Carbon Film as a Superb Substrate for High-Performance Aqueous Zn-IonBatteries”的研究型论文。本文报道了一种将石墨纸直接转化为类石墨烯碳膜(GCF)的简易电化学方法,即通过浓硫酸电解插层,将石墨纸直接转化为薄层类石墨烯片的2D-3D混合网络,为电极材料提供了一个多孔的导电基底。为了提高锌离子电池的能量密度,本文采用电化学沉积法制备了轻型电极材料——Na:MnO2/GCF正极和Zn/GCF负极。这种轻型锌离子电池,取得了381.8 mA h g-1的初始放电容量,能量密度高达511.9 Wh kg-1。通过电化学动力学的测量,发现了GCF基底对电池容量的高电容性贡献,以及H+和Zn2+离子的共嵌入/脱嵌机制。通过与Monash University合作采用第一性原理计算,探究了Na+掺杂浓度对层状δ-MnO2电化学性能的影响。

通过电化学插层技术制备2D-3D多级结构极大简化了锌离子石墨烯基底的制备流程,并且取得了优良的电池性能。研究者相信,这种类石墨烯衬底未来有望在二次电池领域大放异彩。相关论文在线发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201907120)上,论文第一作者为博士生吴云召。