浙大高超教授團隊：高質量石墨烯電極材料研究取得新進展

【成果簡介】

浙江大學高分子系高超教授團隊開發了一種可量化生產的高質量石墨烯粉體：少缺陷低堆疊石墨烯微花。通過氧化石墨烯水溶液噴霧干燥-高溫還原修復兩步法即可大量制得這種少缺陷、高褶皺、低堆疊、微觀高連續的石墨烯微花。相關研究以題為“Hiqh-Quality Graphene Microflower Design for High Performance Li-S and Al-Ion Batteries”發表在Advanced Energy Materials上。

【圖文導讀】

圖1 高質量石墨烯微花的設計制備思路

圖2 性能表征結果

（a）高質量石墨烯微花-硫正極的電化學性能。

（b）循環后SEM圖。

【研究內容】

作為新興的二維材料中的代表，石墨烯可以有效提高多種電池材料的電化學性能（諸如硅負極，鋰過渡金屬氧化物正極，硫正極，鋰金屬負極及空氣正極等），從而在能源存儲材料領域展示出了較大的應用價值。但目前所制得的石墨烯在應用時仍有一些問題。如，化學氣相沉積法可有效制備低缺陷的單層石墨烯，但在材料的產量及成本控制方面難以滿足能源領域大規模應用的需求；而化學剝離法及機械剝離法雖然在產量和成本上具有一定優勢，但石墨烯的質量有所欠缺。因此，很有必要發展可大量低成本制備高質量石墨烯的新方法。

使用氧化石墨烯為原料不僅保證了石墨烯微花在亞微米級尺寸的連續，也保證其低廉的成本和生產能力；同時石墨烯片間的褶皺抑制了石墨烯層間的過度堆疊，形成了約1-4層的寡層石墨烯結構，有利于電解質的浸潤和活性物質的分布。高溫熱還原修復了石墨烯的原子晶格，有效提高了材料的導電率。因此這種高質量石墨烯微花的電化學性能遠遠超過低質量石墨烯微花。與目前常見的雜原子摻雜方法相比，該種少缺陷石墨烯制備方法同樣可以提高石墨烯基電極的性能，同時在可控性和重復性上更有優勢。此外，作為一種粉末材料，這種石墨烯微花可直接采用傳統的商業化電極涂覆工藝，有利于將來的放大生產。當應用于鋰硫電池時，高質量的石墨烯微花-硫復合物的電化學性能超出其他石墨烯-硫復合物。這是由于石墨烯中晶格的修復大幅提高了材料的導電率，能更好地發揮不導電的活性物質硫的容量，最高達到5.2 mAhcm^-2的面積比容量。石墨烯微花中的褶皺可發揮抑制硫溶解的獨特作用，有效提高了硫正極的容量保持率。當應用于鋁離子電池的正極時，高質量的石墨烯微花同樣表現出優異的電化學性能，超出同類石墨/石墨烯基材料：比容量可達100 mAhg^-1，可在18秒內充滿電（20 Ag^-1的電流密度），循環5000次后沒有容量損失。這些優異的性能分別得益于少缺陷的石墨烯晶格（提供了更多的活性位點和更高的電導率），低堆疊的石墨烯結構（有利于電解液的浸潤和離子傳輸）和高二維連續的石墨烯微結構（降低了電極電阻）。從這兩個例子可以看出，高質量石墨烯設計可以有效提高石墨烯基電極材料的電化學性能。

這些研究結果給石墨烯材料在能源領域的應用提供了更豐富的研究思考和設計指導，使得石墨烯材料的應用前景更加光明。但也要看到該種石墨烯微花材料在堆積密度和厚度等方面還有較大的提升空間，方能最終走向實際應用。

原文鏈接：http://polymer.zju.edu.cn/chinese/redir.php?catalog_id=74760&object_id=160892.

文獻鏈接：Hiqh-Quality Graphene Microflower Design for High Performance Li-S and Al-Ion Batteries (Adv. Energy Mater., 2017, DOI:10.1002/aenm.201700051.)

本文由材料人編輯部石小梅編輯，點我加入材料人編輯部。

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