中科院李玉良院士EES:具有优异储锂性能的超长稳定性的自支撑电极材料——氟化石墨炔

【引言】

二维材料由于其特殊的物理化学性质（如二维拓扑结构、弱层间范德华力、大的比表面积等），具有成为一种优良柔性电极材料的巨大潜力。但传统二维材料原子排布致密，使其离子传输能力大大减弱。并且丰富的边缘原子具有较高的活性，大大降低了材料的循环稳定性。石墨炔作为具有中国自主知识产权的新型二维碳材料，其独特的sp碳结构赋予了碳材料新的内涵，包括丰富的碳化学键、大的共轭体系、宽面间距、优良的化学稳定性和平面内均匀分布的孔洞结构，显示出许多优异的性质和应用前景。石墨炔的独特结构区别于传统致密结构的二维材料，也使其成为具有天然优势的柔性电极材料。

【成果简介】

近日，中国科学院李玉良院士团队黄长水研究员报道了在适中的温度下通过C-C偶联反应制备氟化石墨炔（F-GDY）。F-GDY是一种石墨炔基二维材料，在锂离子半电池中，当电流密度分别为50 mA g^–1和5 A g^–1时，其可逆容量分别为大约1700 mAh g^–1和300 mAh g^–1，表明出极高的电化学存储容量；同时它在2A/g电流密度下的循环次数高达9000圈，可逆容量仍能保持初始值的70%，表明它具有优异的循环稳定性能。因此它有作为柔性电池电极材料的巨大应用潜力。上述成果以“Fluoride graphdiyne as free-standing electrode displaying ultrastable and extraordinary high Li storage performance ”为题发表在著名期刊Energy Environ. Sci上，第一作者是中科院青岛能源所的博士后何建江。

【图文导读】

图1   F-GDY的合成路线和表征

（a）GDY和F-GDY的分子结构示意图

（b,c） F-GDY的具体合成路线

（d）F-GDY的固态¹³C NMR谱图

（e）F-GDY的C 1s XPS 谱图和F 1s XPS 谱图（内图）

（f）F-GDY的红外谱图

图2  F-GDY的结构

（a）F-GDY的孔径分布

（b）F-GDY的AB-stack–1 的结构

（c）F-GDY的AB-stack–2 的结构

（d）F-GDY的紫外可见吸收光谱和光吸收谱图（内图）

（e）F-GDY层的几何结构，绿色部分为其晶胞

（f）F-GDY的能带结构和态密度

（g）F-GDY的拉曼光谱

（h）F-GDY的XRD谱图

（i）F-GDY的层间距

图3  F-GDY的形貌

（a）F-GDY膜的照片

（b）F-GDY膜的正面的SEM图

（c）图（b）的放大图

（d）F-GDY膜的侧面的SEM图

（e）二维F-GDY膜的TEM图

（f）F-GDY的高分辨率TEM图

（g）F-GDY的氮气吸附-解吸等温曲线

（h）水、碳酸乙烯酯/碳酸二甲酯电解液和F-GDY的接触角

（i）柔性透明电极中的F-GDY

图4  锂金属半电池中的F-GDY电极的电化学性能

（a）F-GDY的倍率性能

（b）F-GDY的充放电曲线

（c）F-GDY的循环伏安曲线

（d-f）电流密度分别为50 mA g^–1（d）、100 mA g^–1（e）、2 A g^–1（f）时，F-GDY的循环性能.

图5   锂原子和F-GDY的相互作用

（a）充放电过程中，不同电压下的F-GDY电极的准原位XPS谱图

（b）选定的重复单元中锂原子在不同位置的结合能

（c）Li₂₈–C₂₄F₆化合物的侧面图（上）和正面图（下）以及锂原子在Li₂₈–C₂₄F₆化合物中的结合能

图6  F-GDY的储锂机理示意图

【小结】

本文使用溶液法通过C-C偶联反应制备二维材料F-GDY。F-GDY柔性电极的高导电率、高比表面积、短的锂离子扩散距离和大量活性储锂位点赋予了其优异的电化学性能。F-GDY的C–F键赋予了F-GDY膜出色的稳定性与其和电解液的相容性。F-GDY柔性电极具有超高的存储容量，尤其是在9000次循环后依然能保持稳定的卓越循环性能，有望应用于下一代柔性电池中。

文献链接：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 ）

【团队在该领域的工作汇总】

李玉良院士团队致力于石墨炔新型碳材料的研究，最新相关综述发表于Chem. Rev. (2018, DOI:10.1021/acs.chemrev.8b00288)上，论文题目“Progress in Research into 2D Graphdiyne-Based Materials”。

本文由材料人编辑部kv1004供稿，材料牛整理编辑。  感谢黄长水老师对本文的指导修改。

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