Adv. Mater.：石墨烯-介孔結構復合電極讓高性能鋰離子電池不再是夢

從便攜式電子工業到汽車電氣化，科技的發展推動了能源存儲的逐步改善。人們通常希望獲得具有能量密度高、生命周期長、安全且實惠的產品。為了能夠獲得高的能量密度，電極中活性材料的體積分數就必須最大化，且用來傳輸電子和離子的運輸網絡所占體積應盡可能的小。然而，如果電極的離子和電導太低，其倍率性能就會大打折扣。雖然通過結構設計，研究人員已經制備出性能非常優異的電極，其不僅提供了快速傳遞鋰離子和電子的網絡，而且縮短了固態離子和電子擴散的長度，然而其活性材料的體積分數遠低于人們的預期。

近日，由美國伊利諾伊大學香檳分校，弗雷德里克·塞茨材料研究實驗室、貝克曼先進科學與技術研究所Braun教授領導的研究團隊，證明了一種先進的鋰離子電池電極理念。該電極系統由一個集成電化學活性材料3D介孔結構和石墨烯組成，石墨烯提供了一個相比其它3D結構電極理念更大的活性材料負荷。3D介孔結構與具有高電導、低重量的石墨烯結合，可以獲得容量高、循環穩定性好、充放電速度快的電極。

【圖文導讀】

圖1 石墨烯-五氧化二釩復合電極加工過程3D結構示意圖

圖片說明：4-6層石墨烯被鑲嵌在大約60nm厚的電化學活性V2O5層之間，該結構最初形成于一個模塊化電鍍鎳逆蛋白石聚苯乙烯(PS)，石墨烯通過化學氣相沉淀（CVD）的方法在蛋白石上生長. 第一層V2O5通過溶劑熱長在3D石墨烯鍍層Ni支架上，隨后通過熱處理，Ni支架被侵蝕. 然后另一層V2O5在上面生長并對內層石墨烯進行熱處理，從而形成一個3D三明治納米結構電極。

圖2 石墨烯-五氧化二釩復合電極微觀結構示意圖

（a）聚苯乙烯(PS)蛋白石模塊移除后，電化學沉淀Ni逆蛋白石SEM圖像.

（b）Ni石墨烯鍍層逆蛋白石SEM圖像，插圖為高放大倍數圖.

（c）Ni支架侵蝕后石墨烯-V2O5電極橫截面SEM圖像.

（d）、（e）分別為石墨烯-V2O5復合電極在第二次V2O5溶劑熱長大和熱處理后的低倍與高倍SEM圖像. （d）中插圖是對三明治結構的說明，圖（e）右邊彩色部分強調三明治結構（V2O5第一次生長的為棕色，Ni侵蝕后的第二次生長為綠色，中間石墨烯層為暗色間隙）.

（f）石墨烯-五氧化二釩復合電極的拉曼光譜.

圖3 石墨烯-五氧化二釩復合電極的性能曲線

（a）石墨烯-五氧化二釩復合電極在5C條件下的恒電流充放電曲線.

（b）完整電極超過2000次循環的循環容量和庫倫效率.

（c）電池容量與庫倫效率與循環次數的關系，電極測試前均在1C下循環20次.

（d）石墨烯-五氧化二釩復合電極在掃描速率為1mV/s條件下的CV（電流-電位）曲線.

（e）使用商業Ni支架模板加工的100um厚五氧化二釩與石墨烯復合電極的第1、2、10、100、1000次充放電曲線. 插圖為電極厚度橫截面SEM圖像.

圖4 石墨烯-硅復合電極的結構與性能

（a）、（b）分別為SiO2支架移除后Si逆蛋白石的低倍、高倍SEM圖像.

（c）、（d）分別為石墨烯-硅復合電極的低倍、高倍SEM圖像.

（e）石墨烯-硅電極在0.4C下的充放電曲線.

（f）石墨烯-硅電極的循環電容與庫倫效率.

圖（a）、（c）中的插圖為各自結構透視圖（硅：藍色，石墨烯：綠色）.

文獻鏈接：Graphene Sandwiched Mesostructured Li-Ion Battery Electrodes

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