Nature子刊：石墨烯材料在柔性鋰離子電池中的新型結構應用

【引言】

隨著智能電子設備的不斷發展，可彎曲、可變形的電子設備得到了越來越多的關注，嵌入其中的電化學儲能設備也相應地需要具有柔性、高能量密度等性能。但到目前為止，合理地設計出具有柔性、高比容量、快速充放電性能以及長循環壽命的儲能設備仍然面臨著許多挑戰。目前已有工作報道過柔性器件相關的材料制備、組裝等，但其綜合性能往往不能達到比較理想的要求，例如傳統的石墨碳材料具有很好的結構穩定性，但其比容量較低；而比容量較高的金屬及其氧化物、硫化物材料等（Sn，Si，Ge；>1000mAh·g^-1）結構穩定性較差，在電池的充放電過程中存在體積膨脹的問題，所以發展下一代新型的柔性設備材料使當前急需進行的課題。

【成果簡介】

最近，新加坡科技大學的Hui Ying Yang教授（通訊作者）和哈爾濱工業大學的孫克寧教授（通訊作者）課題組合作在Nature Communications上發表了題為“3D nitrogen-doped graphene foam with?encapsulated germanium/nitrogen-doped?graphene yolk-shell nanoarchitecture for?high-performance flexible Li-ion battery”的文章，文中闡述了一種使用鍺量子點/氮摻雜石墨烯納米核殼結構進行封裝的三維氮摻雜石墨烯互聯多孔泡沫用于鋰離子電池電極中。這種三維結構材料結合了石墨烯碳材料結構穩定的優點和金屬鍺容量方面的優點，克服了以往的電極材料在電池充放電過程存在的巨大的體積膨脹和因此帶來的容量衰減問題。其中，通過使用鍺量子點復合氮摻雜石墨烯碳納米管使所制備的柔性鋰離子電池的比容量達到1220mAh·g^-1，倍率性能方面在40C的大倍率下仍然具有800mAh·g^-1的容量，在循環1000次后容量保持率達到97%。這種新型的三維石墨烯互聯泡沫為柔性鋰離子電池提供了有意義的指導方向，在柔性器件的實際應用中具有良好的前景。

[致歉：小編未能找到通訊作者Hui Ying Yang教授的確切中文名，在此表示誠摯的歉意！]

【圖文導讀】

圖1.Ge-QD@NG/NGF/PDMS納米核殼結構的制備方法示意圖

圖為Ge-QD@NG/NGF/PDMS納米核殼結構的制備過程：首先在泡沫鎳模板上利用CVD沉積一層氮摻雜石墨烯，同時在Ar/H2氣氛中進行熱處理；然后在GeCl₄中進行水熱處理，之后在其表面化學鍍鎳，再經過CVD沉積鍺量子點；最后將泡沫鎳模板刻蝕掉，并包覆PDMS形成一種核殼結構。

圖2.Ge-QD@NG/NGF的物理性能表征

（a，b）柔性Ge-QD@NG/NGF核殼電極的照片（7×4cm）

（c）Ge-QD@NG/NGF核殼納米結構的SEM圖

（d）Ge，C和N元素的EDS分布圖

（e）Ge-QD@NG/NGF核殼納米結構的TEM圖

（f）Ge-QD@NG/NGF核殼納米結構的高分辨TEM圖

（g）鍺量子點的電子衍射花樣

（h，i）Ge-QD@NG/NGF核殼納米結構和NGF的（h）XRD圖 和（i）拉曼圖譜

圖3.Ge-QD@NG/NGF/PDMS的電化學性能

（a）電池的第1、2、10、100和1000次循環的恒流充放電曲線，電壓窗口為0.01-1.5V，倍率為1C

（b）Ge-QD@NG/NGF/PDMS核殼結構的放電循環性能和庫倫效率，Ge/NGF/PDMS 和 Ge/Cu電極在1C倍率下第1000次循環

（c）原位顯微拉曼測量的“透明”半電池示意圖

（d）Ge-QD@NG/NGF/PDMS核殼納米結構和恒流鋰化過程的選區拉曼圖譜，倍率為C/10，激光功率為2.5mW，收集時間為30s，共收集10張拉曼圖譜

（e，f）Ge分別包覆在Cu箔和NGF基柔性基體上形成的電極的電極設計對比

圖4.Ge-QD@NG/NGF/PDMS的柔性測試

（a）復合及未復合Ge-QD@NG的自支撐三維電極結構的典型應力應變曲線

（b）復合及未復合Ge-QD@NG的自支撐三維電極結構的拉伸強度及模量圖，數據中顯示了誤差范圍

（c）電池的恒流充放電曲線，紅線和藍線分別表示平直電池在經過20個周期后以及彎曲電池在經過反復彎曲（彎折角未90°）的20個周期后的恒流充放電曲線

（d）電池在平直狀態下和彎曲狀態下的循環性能，紅線和灰線分別代表充放電倍率未1C時的充放電性能

圖5.?Ge-QD@NG/NGF/PDMS的倍率性能及形態改變情況

（a）Ge-QD@NG/NGF/PDMS核殼結構的倍率性能，其中Ge/NGF/PDMS 和 Ge/Cu電極分別在不同的電流密度下

（b）Ge-QD@NG/NGF/PDMS核殼結構電極的Nyquist圖，分別為1C倍率下第1、2、10、100和1000次循環

（c-e）Ge-QD@NG/NGF/PDMS核殼結構電極在鋰離子嵌入狀態下的（c）SEM，（d，e）TEM圖，倍率為1C，循環第1000次

（f）Ge-QD@NG/NGF/PDMS核殼結構在充放電過程中的示意圖

【總結】

該工作使用鍺量子點基體與石墨烯材料復合的負極材料應用于鋰離子電池中，通過合理的三維結構設計得到了多孔互聯的三維石墨烯泡沫材料，之后還在氮氣氣氛中進行熱處理，引入了氮摻雜的與鋰離子結合的位點。這種結構為鋰離子的嵌入提供了合適的空間，從而使半電池容量達到了1220mAh·g^-1，在經過1000次循環后容量保有率仍有96%，同時在大倍率（40C）下電池容量仍具有800mAh·g^-1。總之，該工作在以石墨烯為基礎的柔性器件中具有重要的指導意義和實際應用，為三維互聯結構的設計開辟了新思路。

文獻鏈接：3D nitrogen-doped graphene foam with?encapsulated germanium/nitrogen-doped?graphene yolk-shell nanoarchitecture for?high-performance flexible Li-ion battery （Nature Communications，2017，DOI:10.1038/ncomms13949）

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