Advanced Functional Materials :自生长策略有效协同调控石墨烯层间距和亲液性制备高性能钾离子电极

碳材料由于优异的化学/电化学稳定性、良好的导电能力在电化学能源存储设备(电池和超级电容器)得到了广泛的应用。石墨烯材料具有明确的二维单层分子结构、分子/原子水平的化学可修饰性、清晰的层状堆积结构,以及高的电子传导能力和比表面积被广泛研究,也可以作为各种碳材料的基础结构模型理解材料的电化学构效关系。随着大规模低成本高能量密度储能的发展需求,钾离子电池得到了日益增长的研究。然而,相对于锂离子,较大尺寸的钾离子(K+ vs Li+: 1.38 Å vs 0.76 Å)在充放电循环过程中增加了离子扩散势垒并减慢电化学动力学,同时钾离子在反复的插入/脱出过程中导致电极材料显著的体积变化和结构坍塌,从而导致钾离子电极材料通常展现出较低的容量、倍率性能和循环寿命。尽管之前各种策略如引入多级孔结构、杂原子掺杂和制备纳米结构等有效改善了碳材料的钾离子存储性能,但依然还有较大的提升空间。因而从分子和纳米水平精准控制材料的微结构是提高材料电化学性能、发现新机制和理解材料构效关系的重要途径。

西湖大学徐宇曦课题组及其合作者联合报道了一种简单而有效的自生长策略在石墨烯层间均匀可控生长超小氧化铁纳米颗粒,实现同时精准调控石墨烯的层间距和增强电解液的亲液性,从而得到高性能、长循环稳定的三维石墨烯自支撑钾离子电极材料。

该策略基于新发现的氧化石墨烯的含氧基团和吸附的铁离子之间的原位自转化反应,通过控制反应温度可以在石墨烯上可控生长超小的氧化铁纳米颗粒(无需任何外来的氧源),从而获得了一系列的不同层间距的超小金属氧化物纳米粒子改性/插层的三维石墨烯骨架(OM-G)。

图一、原位自转化反应制备超小金属氧化物纳米粒子改性/插层的石墨烯气凝胶(OM-G)

实验和理论仿真模拟揭示了原位自生长的氧化铁纳米粒子通过扩大石墨烯的层间距和增强电解液的亲润性及对钾离子的亲和力的协同作用,有效降低了钾离子在OM-G材料中的扩散势垒促进了钾离子的快速传输。因此,制备的三维OM-G自支撑电极在0.1 A/g的电流密度下展现出超高的496.4 mAh/g的可逆容量、优异的倍率性能(10 A/g下容量为306.6 mAh/g)和循环稳定性(1 A/g下循环2000圈有96.3%的保留率),优于之前报道的多数碳材料或石墨烯材料。该工作不仅提供了对石墨烯衍生物分子结构演化的新认识也提供了一个新的协同机制有助于促进理性制备高性能的电极材料。

图二、K+离子输运动力学的COMSOL Multiphysics模拟
图三、OM-G的电化学性能

论文信息:

A Self-Growth Strategy for Simultaneous Modulation of Interlayer Distance and Lyophilicity of Graphene Layers toward Ultrahigh Potassium Storage Performance

Xiaohua Qiao, Chaoqun Niu, Dankui Liao, Zhonghui Chen*, Lixia Sun*, Yuxi Xu*

Advanced Functional Materials 

DOI: 10.1002/adfm.202105145

原文链接:https://doi.org/10.1002/adfm.202105145