Advanced Functional Materials:热还原-表面开孔石墨烯用做高容量铝离子电池正极材料

石墨烯材料具有出色的离子储存能力,被广泛应用于多种二次电池技术的研究中。铝离子电池是近年来新兴的一种二次电池技术,具有高功率密度,高安全性和价格低廉等诸多技术优势。由于石墨层间距(3.35 Å)远小于氯铝酸根离子的平均直径(AlCl4,5.28Å),石墨烯基正极材料在铝离子电池中的容量表现偏低,目前能达到~60-150 mAh/g。

澳大利亚昆士兰大学余承忠、黄晓丹课题组及其合作者提出独特的热还原开孔策略,以制备表面开孔且高还原度的石墨烯材料。该石墨烯材料具有大量~2.3 nm表面介孔,>50%石墨层间距扩展和极低残氧量(接近在~3000℃下退火还原石墨烯)。热还原开孔技术创新的关键在于巧妙地利用聚环氧烷共聚物涂覆寡层石墨烯片,并在惰性气氛下进行400℃热处理。共聚物热分解产生大量活性自由基,可以刻蚀石墨烯,“剪出”表面介孔,同时消除石墨烯中的含氧基团,从而一步实现表面开孔和高度还原的目标。理论模拟表明,表明开孔可以使临近区域石墨烯层间相互作用力减弱,诱导部分层间晶格扩张,从而利于AlCl4离子嵌入/迁出,进而促进容量提升。

在实验测试中,三层结构的表面开孔石墨烯可以在2 A/g的大电流密度下表现出197 mAh/g的可逆容量,达到DFT理论预计石墨烯容量的92.5%,表明表面开孔策略可以极大提升石墨烯材料容纳离子的能力。电化学分析结果表明,表面开孔可以实现大尺寸离子的多位点嵌入/迁出,提高性能。该材料同时展现了出色的高倍率性能(149 mAh/g@5 A/g; 128 mAh/g@7 A/g)和长循环稳定性(1000 循环@5/7 A/g),优于目前已报道的其他正极材料。此外,石墨烯层数控制实验亦表明,相比于厚层(~5-7层)结构,三层石墨烯的设计有利于提升石墨烯的储能潜能。

该项石墨烯加工技术已获专利保护及澳大利亚基金委资助。通过与工业界开展密切战略合作,有望实现新型石墨烯材料以及铝离子电池技术的突破。相关论文近期发表在Advanced Functional Materials(DOI:10.1002/adfm.202010569)上,文章的第一作者是昆士兰大学博士生孔玥琪和昆士兰科技大学博士生唐程。