美国加州大学洛杉矶分校段镶锋教授团队：多孔石墨烯复合材料可增强电极性能

【成果简介】

近年来研究表明，纳米电极材料有望提供相当于现在商用锂离子电池数倍的能量或功率密度，但该材料此前只能在负载量极低的超薄研究型电极中达到其优异性能，难以在需要较高负载量的商用器件中实现其应有潜力。美国加州大学洛杉矶分校段镶锋教授团队最近研制出一种三维多孔石墨烯复合电极材料，成功地解决了电极性能随着负载量急剧下降的关键难题，使得制备高负载的高性能电极成为可能。相关研究成果以题为“Three-dimensional holey-graphene/niobia composite architectures for ultrahigh-rate energy storage”日前发表在Scicence上。

【图文导读】

图1 制备三维多孔复合体系的两步流程图

第一步里Nb₂O₅均匀地分布在第一部分的GO（复合材料的~ 4 wt%），然后与第二部分的GO/HGO（复合材料的~ 11 wt%）在溶液里混合，接着还原产生整个自支撑的复合材料。通过在过氧化氢中蚀刻0,0.5,1.0,2.0小时制备可调孔的HGOs，用它在石墨烯片上制备不同程度孔的Nb₂O₅/GF, Nb₂O₅/HGF-0.5, Nb₂O₅/HGF-1.0, 和Nb₂O₅/HGF-2.0。在每一步最后，样品在600℃氩气中退火以产生斜方晶系的Nb₂O₅(T-Nb₂O₅)，同时进一步对RGO片去氧以提高其电子传递特性。最终的复合材料中T-Nb₂O₅的数量控制在~ 85 wt%。

图2 性能表征结果

A-D：分别在过氧化氢中蚀刻0,0.5,1.0,和2.0小时的可调孔的石墨烯的TEM图。

E：Nb₂O₅ / HGF复合材料横断面的扫描电子显微镜图像显示出三维多层次孔结构。插图为用于制造电极的一个自支撑的整体。

F：Nb₂O₅/G粉末在600℃退火前和退火后以及自支撑的Nb₂O₅/HGF复合材料的X射线衍射图谱。

G：均匀分布有T-Nb₂O₅纳米颗粒的石墨烯的TEM图像。

H：T-Nb₂O₅纳米颗粒的HR-TEM图像。

I：热退火后的Nb₂O₅/G粉末，自支撑的Nb₂O₅/GF和Nb₂O₅/HGF电极的拉曼光谱。D带和G带是石墨烯的特征峰，在120,230,310,690 cm⁻¹处的拉曼峰进一步证实T-Nb₂O₅的斜方晶系相。

J：孔隙大小分布的DFT比较。随着蚀刻时间增加，从HGO中制备的复合材料的孔隙大小从微孔隙(~ 1.5 nm)转变为中孔隙(2.7 nm)。

【研究内容】

 段镶锋近日接受科技日报记者采访时表示，虽然许多纳米材料在一些研究型器件中展现了优异的储能性能，但在此类器件中，电极活性材料负载量经常只有商业化器件中常用负载量的10%左右。由于极低的负载量，最终体现在整体器件中的容量或功率密度很难能较大幅度地超过现在的锂离子电池。如果只是简单地增加电极厚度，随着厚度的增加，电子输运电阻和离子扩散电阻都会显著增加，致使电极性能急剧下降。

该团队研发的三维多孔石墨烯复合材料中，高度联通的石墨烯网络结构提供了优异的电子传输特性，而其多层次孔结构则大大促进了离子的快速输运，从而使该材料在高负载电极中首次同时实现了较高的容量和极高的功率特性。“这标志着高性能电极材料在朝商用储能器件方向发展的道路上迈出了关键的一步。”中国科学院院士、中国科学院金属研究所研究员成会明评论说。

段镶锋表示，这一方案可以适用于其他高性能电极材料，为在商业级器件中实现此类高性能储能材料的潜力提供了一个切实可行的途径，有望极大提高相关储能器件的容量和充放电速度。

原文链接：http://paper.sciencenet.cn/htmlpaper/201751614372160743924.shtm.

文献链接：Three-dimensional holey-graphene/niobia composite architectures for ultrahigh-rate energy storage.

本文由材料人编辑部石小梅编辑，点我加入材料人编辑部。