中科院李玉良院士EES:具有優異儲鋰性能的超長穩定性的自支撐電極材料——氟化石墨炔

【引言】

二維材料由于其特殊的物理化學性質（如二維拓撲結構、弱層間范德華力、大的比表面積等），具有成為一種優良柔性電極材料的巨大潛力。但傳統二維材料原子排布致密，使其離子傳輸能力大大減弱。并且豐富的邊緣原子具有較高的活性，大大降低了材料的循環穩定性。石墨炔作為具有中國自主知識產權的新型二維碳材料，其獨特的sp碳結構賦予了碳材料新的內涵，包括豐富的碳化學鍵、大的共軛體系、寬面間距、優良的化學穩定性和平面內均勻分布的孔洞結構，顯示出許多優異的性質和應用前景。石墨炔的獨特結構區別于傳統致密結構的二維材料，也使其成為具有天然優勢的柔性電極材料。

【成果簡介】

近日，中國科學院李玉良院士團隊黃長水研究員報道了在適中的溫度下通過C-C偶聯反應制備氟化石墨炔（F-GDY）。F-GDY是一種石墨炔基二維材料，在鋰離子半電池中，當電流密度分別為50 mA g^–1和5 A g^–1時，其可逆容量分別為大約1700 mAh g^–1和300 mAh g^–1，表明出極高的電化學存儲容量；同時它在2A/g電流密度下的循環次數高達9000圈，可逆容量仍能保持初始值的70%，表明它具有優異的循環穩定性能。因此它有作為柔性電池電極材料的巨大應用潛力。上述成果以“Fluoride graphdiyne as free-standing electrode displaying ultrastable and extraordinary high Li storage performance ”為題發表在著名期刊Energy Environ. Sci上，第一作者是中科院青島能源所的博士后何建江。

【圖文導讀】

圖1 ??F-GDY的合成路線和表征

（a）GDY和F-GDY的分子結構示意圖

（b,c）?F-GDY的具體合成路線

（d）F-GDY的固態¹³C NMR譜圖

（e）F-GDY的C 1s XPS 譜圖和F 1s XPS 譜圖（內圖）

（f）F-GDY的紅外譜圖

圖2 ?F-GDY的結構

（a）F-GDY的孔徑分布

（b）F-GDY的AB-stack–1 的結構

（c）F-GDY的AB-stack–2 的結構

（d）F-GDY的紫外可見吸收光譜和光吸收譜圖（內圖）

（e）F-GDY層的幾何結構，綠色部分為其晶胞

（f）F-GDY的能帶結構和態密度

（g）F-GDY的拉曼光譜

（h）F-GDY的XRD譜圖

（i）F-GDY的層間距

圖3 ?F-GDY的形貌

（a）F-GDY膜的照片

（b）F-GDY膜的正面的SEM圖

（c）圖（b）的放大圖

（d）F-GDY膜的側面的SEM圖

（e）二維F-GDY膜的TEM圖

（f）F-GDY的高分辨率TEM圖

（g）F-GDY的氮氣吸附-解吸等溫曲線

（h）水、碳酸乙烯酯/碳酸二甲酯電解液和F-GDY的接觸角

（i）柔性透明電極中的F-GDY

圖4 ?鋰金屬半電池中的F-GDY電極的電化學性能

（a）F-GDY的倍率性能

（b）F-GDY的充放電曲線

（c）F-GDY的循環伏安曲線

（d-f）電流密度分別為50 mA g^–1（d）、100 mA g^–1（e）、2 A g^–1（f）時，F-GDY的循環性能.

圖5 ? 鋰原子和F-GDY的相互作用

（a）充放電過程中，不同電壓下的F-GDY電極的準原位XPS譜圖

（b）選定的重復單元中鋰原子在不同位置的結合能

（c）Li₂₈–C₂₄F₆化合物的側面圖（上）和正面圖（下）以及鋰原子在Li₂₈–C₂₄F₆化合物中的結合能

圖6 ?F-GDY的儲鋰機理示意圖

【小結】

本文使用溶液法通過C-C偶聯反應制備二維材料F-GDY。F-GDY柔性電極的高導電率、高比表面積、短的鋰離子擴散距離和大量活性儲鋰位點賦予了其優異的電化學性能。F-GDY的C–F鍵賦予了F-GDY膜出色的穩定性與其和電解液的相容性。F-GDY柔性電極具有超高的存儲容量，尤其是在9000次循環后依然能保持穩定的卓越循環性能，有望應用于下一代柔性電池中。

文獻鏈接：http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/ee/c8ee01642a#!divAbstract（Fluoride graphdiyne as free-standing electrode displaying ultra-stable and extraordinary high Li storage performance. Energy Environ. Sci. ?2018，DOI: 10.1039/C8EE01642A ）

【團隊在該領域的工作匯總】

李玉良院士團隊致力于石墨炔新型碳材料的研究，最新相關綜述發表于Chem. Rev. (2018, DOI:10.1021/acs.chemrev.8b00288)上，論文題目“Progress in Research into 2D Graphdiyne-Based Materials”。

本文由材料人編輯部kv1004供稿，材料牛整理編輯。? 感謝黃長水老師對本文的指導修改。

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