美國加州大學洛杉磯分校段鑲鋒教授團隊：多孔石墨烯復合材料可增強電極性能

【成果簡介】

近年來研究表明，納米電極材料有望提供相當于現在商用鋰離子電池數倍的能量或功率密度，但該材料此前只能在負載量極低的超薄研究型電極中達到其優異性能，難以在需要較高負載量的商用器件中實現其應有潛力。美國加州大學洛杉磯分校段鑲鋒教授團隊最近研制出一種三維多孔石墨烯復合電極材料，成功地解決了電極性能隨著負載量急劇下降的關鍵難題，使得制備高負載的高性能電極成為可能。相關研究成果以題為“Three-dimensional holey-graphene/niobia composite architectures for ultrahigh-rate energy storage”日前發表在Scicence上。

【圖文導讀】

圖1 制備三維多孔復合體系的兩步流程圖

第一步里Nb₂O₅均勻地分布在第一部分的GO（復合材料的~ 4 wt%），然后與第二部分的GO/HGO（復合材料的~ 11 wt%）在溶液里混合，接著還原產生整個自支撐的復合材料。通過在過氧化氫中蝕刻0,0.5,1.0,2.0小時制備可調孔的HGOs，用它在石墨烯片上制備不同程度孔的Nb₂O₅/GF, Nb₂O₅/HGF-0.5, Nb₂O₅/HGF-1.0, 和Nb₂O₅/HGF-2.0。在每一步最后，樣品在600℃氬氣中退火以產生斜方晶系的Nb₂O₅(T-Nb₂O₅)，同時進一步對RGO片去氧以提高其電子傳遞特性。最終的復合材料中T-Nb₂O₅的數量控制在~ 85 wt%。

圖2 性能表征結果

A-D：分別在過氧化氫中蝕刻0,0.5,1.0,和2.0小時的可調孔的石墨烯的TEM圖。

E：Nb₂O₅?/ HGF復合材料橫斷面的掃描電子顯微鏡圖像顯示出三維多層次孔結構。插圖為用于制造電極的一個自支撐的整體。

F：Nb₂O₅/G粉末在600℃退火前和退火后以及自支撐的Nb₂O₅/HGF復合材料的X射線衍射圖譜。

G：均勻分布有T-Nb₂O₅納米顆粒的石墨烯的TEM圖像。

H：T-Nb₂O₅納米顆粒的HR-TEM圖像。

I：熱退火后的Nb₂O₅/G粉末，自支撐的Nb₂O₅/GF和Nb₂O₅/HGF電極的拉曼光譜。D帶和G帶是石墨烯的特征峰，在120,230,310,690 cm^?1處的拉曼峰進一步證實T-Nb₂O₅的斜方晶系相。

J：孔隙大小分布的DFT比較。隨著蝕刻時間增加，從HGO中制備的復合材料的孔隙大小從微孔隙(~ 1.5 nm)轉變為中孔隙(2.7 nm)。

【研究內容】

?段鑲鋒近日接受科技日報記者采訪時表示，雖然許多納米材料在一些研究型器件中展現了優異的儲能性能，但在此類器件中，電極活性材料負載量經常只有商業化器件中常用負載量的10%左右。由于極低的負載量，最終體現在整體器件中的容量或功率密度很難能較大幅度地超過現在的鋰離子電池。如果只是簡單地增加電極厚度，隨著厚度的增加，電子輸運電阻和離子擴散電阻都會顯著增加，致使電極性能急劇下降。

該團隊研發的三維多孔石墨烯復合材料中，高度聯通的石墨烯網絡結構提供了優異的電子傳輸特性，而其多層次孔結構則大大促進了離子的快速輸運，從而使該材料在高負載電極中首次同時實現了較高的容量和極高的功率特性。“這標志著高性能電極材料在朝商用儲能器件方向發展的道路上邁出了關鍵的一步。”中國科學院院士、中國科學院金屬研究所研究員成會明評論說。

段鑲鋒表示，這一方案可以適用于其他高性能電極材料，為在商業級器件中實現此類高性能儲能材料的潛力提供了一個切實可行的途徑，有望極大提高相關儲能器件的容量和充放電速度。

原文鏈接：http://paper.sciencenet.cn/htmlpaper/201751614372160743924.shtm.

文獻鏈接：Three-dimensional holey-graphene/niobia composite architectures for ultrahigh-rate energy storage.

本文由材料人編輯部石小梅編輯，點我加入材料人編輯部。