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氮掺杂多孔石墨烯构建高体积容量锂电负极材料

随着便携式设备,新能源汽车,智能电网储能电站等新兴领域的迅速发展,锂离子电池作为当前能源器件领域研究的主流面临着前所未有的挑战。不仅是在提高锂离子电池质量能量密度,功率密度,倍率性能,稳定性等方面,尤其是在空间有限的便携设备,动力汽车中,提高体积能量密度显得格外重要。因此,研发新的同时具有高质量和体积容量,大充放电倍率,长循环稳定性的电极材料具有重要意义。

近年来,石墨烯受到了人们的广泛关注。尤其作为锂离子电池负极材料,其独特的二维单原子结构和卓越的导电性,使得锂离子得以在其表面快速的脱嵌,且脱嵌过程摆脱晶格限制,极大减小了因体积膨胀,粉化而导致的容量衰减,并且其理论容量要远高于商业石墨粉。然而,这种独特结构却也造成其密度低,片层间易团聚,体积容量低等特点,直接阻碍了石墨烯作为锂离子电池负极材料的商业化应用。

氮掺杂多孔石墨烯构建高体积容量锂电负极材料

北京理工大学曲良体教授、博士研究生王霄鹏等针对这些问题,进行了深入研究,取得了重要进展。他们利用吡咯作为氮源,以双氧水作为刻蚀剂,制备了含氮的多孔石墨烯。同时利用体积收缩的方法,构建了一种高密度氮掺杂的多孔石墨烯材料。研究结果表明,改性的石墨烯材料不仅提高了锂离子的存储容量,其多孔的结构同样增强了电解液离子的传输,石墨烯结构的柔韧性及三维框架的构筑有利于缓冲锂离子脱嵌过程带来的体积膨胀。从而使得到的石墨烯材料不仅具有高的体积容量(1052 mAh cm-3),同时也具备大的充放电倍率性能及长的循环稳定性(循环寿命达1200次)。

该工作中对石墨烯的改性及构建三维结构的方法,可以普遍应用于其他电极材料的设计中,有望推进具有高能量密度,大倍率,长寿命锂离子电池的发展。相关结果发表在Advanced Energy MaterialsDOI: 10.1002/adma.201502100)上。


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