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——中国科学院办院方针

七乐国际-首页_欢迎您 > 科研进展

三维互联石墨烯卷骨架增强反应动力学的锂离子电容器研究获进展

2020-12-18 物理研究所
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语音播报

  电极的材料选择及巧妙的结构设计对构建高性能的电化学储能器件具有重要意义。三维导电网络对均匀负载良好分散的活性纳米结构尤为重要七乐国际-首页_欢迎您七乐国际-首页_欢迎您七乐国际-首页_欢迎您七乐国际-首页_欢迎您,同时也能够为纳米活性物质提供三维快速的电子和离子传输通道七乐国际-首页_欢迎您。一维石墨烯卷继承了石墨烯优异的电学性能,具有一维材料的一些性能七乐国际-首页_欢迎您七乐国际-首页_欢迎您,如表面积比大、载流子迁移率高七乐国际-首页_欢迎您七乐国际-首页_欢迎您、自聚集受限七乐国际-首页_欢迎您七乐国际-首页_欢迎您七乐国际-首页_欢迎您、机械强度高等七乐国际-首页_欢迎您七乐国际-首页_欢迎您。此外七乐国际-首页_欢迎您,与表面无缝的碳纳米管相比七乐国际-首页_欢迎您,石墨烯卷在端口和边缘处呈开口状七乐国际-首页_欢迎您七乐国际-首页_欢迎您七乐国际-首页_欢迎您,这更有利于电解液的渗透和离子的迁移七乐国际-首页_欢迎您七乐国际-首页_欢迎您。石墨烯卷是一种良好的自支撑电极框架七乐国际-首页_欢迎您七乐国际-首页_欢迎您,这种自支撑结构可通过省去非电化学活性元件(包括电流收集体七乐国际-首页_欢迎您七乐国际-首页_欢迎您七乐国际-首页_欢迎您、导电剂和粘合剂)以提高储能器件的能量密度和功率密度。因此七乐国际-首页_欢迎您,利用石墨烯卷作为导电骨架原位负载过渡金属氧化物纳米颗粒七乐国际-首页_欢迎您,不仅能够避免纳米颗粒因团聚而导致的活性物质利用受限问题七乐国际-首页_欢迎您,而且为解决金属氧化物负极材料体系存在的电子传输能力差以及因体积效应而导致的结构和界面稳定性欠佳等问题提供了解决方案七乐国际-首页_欢迎您。

  中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心先进材料与结构分析实验室A05组基于此前发展出的超弹性碳气凝胶制备方法(Small, 15 (13): 1804779, 2019)七乐国际-首页_欢迎您,合成一种自支撑还原氧化石墨烯卷七乐国际-首页_欢迎您七乐国际-首页_欢迎您七乐国际-首页_欢迎您;将石墨烯卷网络与硫复合七乐国际-首页_欢迎您,构建出具有高容量和长循环锂硫电池(Chinese Physics B, 27 (6): 068101, 2018)七乐国际-首页_欢迎您。近日,该组博士生陈鹏辉在中科院院士七乐国际-首页_欢迎您、物理所研究员解思深和研究员周维亚的指导下七乐国际-首页_欢迎您,与该组高级工程师王艳春七乐国际-首页_欢迎您、博士生李少青七乐国际-首页_欢迎您七乐国际-首页_欢迎您七乐国际-首页_欢迎您、博士肖卓建和陈辉亮等人七乐国际-首页_欢迎您,在前期工作基础上,进一步拓展了石墨烯卷网络在电化学储能领域的应用七乐国际-首页_欢迎您。

  研究人员通过将离子与石墨烯片层进行静电吸附七乐国际-首页_欢迎您七乐国际-首页_欢迎您七乐国际-首页_欢迎您七乐国际-首页_欢迎您七乐国际-首页_欢迎您,并结合冰晶模板法和冷冻干燥技术七乐国际-首页_欢迎您,设计并制备出一种在三维互连石墨烯卷导电网络上原位生长MnO纳米颗粒的超高倍率自支撑储锂负极;通过调控氧化石墨烯浓度,实现了产物中石墨烯由一维卷状向二维片层状的转变(图1)七乐国际-首页_欢迎您。通过结合电化学测试和结构表征七乐国际-首页_欢迎您,系统研究了不同微结构与储锂反应动力学之间的关系。结果表明,由一维石墨烯卷构建的互联网络比由二维石墨烯片层构成的微结构具有更强的电子/离子转移动力学,从而表现出更佳的倍率性能和更高的循环稳定性(图2)七乐国际-首页_欢迎您。此外七乐国际-首页_欢迎您,石墨烯卷作为骨架材料七乐国际-首页_欢迎您,与MnO纳米颗粒通过Mn-O-C化学键紧密结合七乐国际-首页_欢迎您,在构建多种结构单元搭建多级微结构的同时七乐国际-首页_欢迎您七乐国际-首页_欢迎您,能够有效保证金属氧化物在嵌/脱锂过程中结构和界面的稳定性七乐国际-首页_欢迎您,电极在1000次循环后七乐国际-首页_欢迎您七乐国际-首页_欢迎您,仍能够维持原有的多级结构七乐国际-首页_欢迎您?;谡庵只チ缃峁沟淖灾С鸥杭故境隹焖?、持久的储锂能力,具有在20 A g-1下比容量为203 mAh g-1的超高倍率性能,以及在2 A g-1下循环1000次后比容量为759 mAh g-1的长循环稳定性七乐国际-首页_欢迎您∑呃止?首页_欢迎您七乐国际-首页_欢迎您;诖烁弑堵?高容量特性的自支撑负极构建的锂离子电容器在功率密度为139.2 W kg-1时七乐国际-首页_欢迎您,具有达179.3 Wh kg-1的能量密度七乐国际-首页_欢迎您七乐国际-首页_欢迎您;得益于电极材料良好的结构稳定性七乐国际-首页_欢迎您,锂离子电容器在5 A g-1下循环5000周的容量保持率为80.8%(图3)七乐国际-首页_欢迎您七乐国际-首页_欢迎您。该研究采用的制备方法可为其他具有电子/离子电导率较低、因体积变化大而导致结构和界面不稳定等普遍问题的金属氧化物负极材料的设计与改进提供新思路七乐国际-首页_欢迎您七乐国际-首页_欢迎您七乐国际-首页_欢迎您七乐国际-首页_欢迎您。

  相关研究成果以In situ anchoring MnO nanoparticles on self-supported 3D interconnected graphene scroll framework: A fast kinetics boosted ultrahigh-rate anode for Li-ion capacitor为题七乐国际-首页_欢迎您,发表在Energy Storage Materials上七乐国际-首页_欢迎您七乐国际-首页_欢迎您。研究工作得到科技部七乐国际-首页_欢迎您、国家自然科学基金委和中科院战略性先导科技专项(A)类等的支持。

  论文链接 

  图1.(a-d)基于不同GO浓度的样品的SEM图像七乐国际-首页_欢迎您。(a七乐国际-首页_欢迎您七乐国际-首页_欢迎您,a1)0.25 mg mL-1七乐国际-首页_欢迎您,(b,b1)0.5 mg mL-1七乐国际-首页_欢迎您七乐国际-首页_欢迎您,(c七乐国际-首页_欢迎您七乐国际-首页_欢迎您,c1)0.75 mg mL-1和(d七乐国际-首页_欢迎您,d1)1.0 mg mL-1;(e)0.25MnO/3DGS样品中负载MnO纳米颗粒的石墨烯卷的SEM图像;(f-h)0.25MnO/3DGS在不同放大倍数下的TEM图像七乐国际-首页_欢迎您七乐国际-首页_欢迎您七乐国际-首页_欢迎您;(i) HAADF-STEM图像及对应区域的面扫描元素分布图

  图2.0.25MnO/3DGS自支撑电极在0.1 mV s-1扫速下的CV曲线(a)和0.1 A g-1电流密度下的充放电曲线(b)七乐国际-首页_欢迎您七乐国际-首页_欢迎您七乐国际-首页_欢迎您;不同电极的倍率性能(c)、Nyquist曲线(d)和0.5 A g-1电流密度下的循环性能对比(e)七乐国际-首页_欢迎您七乐国际-首页_欢迎您七乐国际-首页_欢迎您;(f)0.25MnO/3DGS和1.0MnO/3DGS的综合电化学性能比较七乐国际-首页_欢迎您七乐国际-首页_欢迎您七乐国际-首页_欢迎您;(g)0.25MnO/3DGS在2 A g-1下的长循环性能及该样品的离子和电子转移示意图(h)

  图3.0.25MnO/3DGS//AC锂离子电容器的电化学性能。(a)不同扫描速率下的CV曲线七乐国际-首页_欢迎您;(b)不同电流密度下的充放电曲线七乐国际-首页_欢迎您;(c)根据充放电曲线计算的比电容七乐国际-首页_欢迎您七乐国际-首页_欢迎您;(d)5 A g-1下的长期循环稳定性七乐国际-首页_欢迎您;(e)基于0.25MnO/3DGS//AC的锂离子电容器与文献报道的其它MnO基锂离子电容器的Ragone图比较

打印 责任编辑:张芳丹

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