石墨烯泡沫/還原氧化石墨烯氣凝膠雜化嵌套網(wǎng)絡(luò)材料用于高性能鋰硫電池

楊全紅

(天津大學(xué)化工學(xué)院，天津化學(xué)化工協(xié)同創(chuàng)新中心，天津300072)

石墨烯泡沫/還原氧化石墨烯氣凝膠雜化嵌套網(wǎng)絡(luò)材料用于高性能鋰硫電池

楊全紅

(天津大學(xué)化工學(xué)院，天津化學(xué)化工協(xié)同創(chuàng)新中心，天津300072)

隨著能源消耗和需求的不斷增長，可開發(fā)利用的石油資源日益枯竭，解決能源消耗和隨之而來的環(huán)境污染的沖突已經(jīng)成為一個全球化的問題，因此對潔凈能源太陽能和風(fēng)能的開發(fā)利用迫在眉睫，而利用這些能源需要安全、低成本、高能量密度和長壽命的電化學(xué)儲能器件來實現(xiàn)。目前鋰離子電池的實驗室比能量雖已達(dá)到250 Wh?kg－1，但受正極材料比容量進(jìn)一步提高的限制，其比能量很難再有大的提高，而且通過提高充電電壓來增加比能量的途徑將加劇安全問題，因而發(fā)展新的電化學(xué)儲能體系勢在必行。

在新的電化學(xué)儲能體系中，以金屬鋰為負(fù)極、單質(zhì)硫為正極的鋰硫電池的理論比能量可達(dá)2600 Wh?kg－1，遠(yuǎn)高于現(xiàn)階段所使用的鋰離子二次電池。此外，單質(zhì)硫廉價、環(huán)境友好的特點又使該體系極具商業(yè)價值1。然而，目前研究者大多為了追求高的放電比容量和長的循環(huán)壽命，而忽視了電池正極極片上硫的負(fù)載量問題。這一問題被稱為“雙低”問題，即極片的低硫含量和低載硫量，如極片的載硫量普遍小于2 mg?cm－2(更多報道的是小于1 mg?cm－2)，硫含量普遍小于70%(w)2。通過數(shù)據(jù)換算3，對應(yīng)的正極極片的面積比容量約為0.4－2 mAh?cm－2，而通常已經(jīng)商業(yè)化的鋰離子電池的面積比容量約為4 mAh?cm－2。因此，“雙低”問題導(dǎo)致目前鋰硫電池的實際能量密度要低于現(xiàn)有的鋰離子電池4。

最近，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家(聯(lián)合)實驗室任文才、成會明研究組提出將高導(dǎo)電的石墨烯泡沫與具有豐富含氧官能團(tuán)的還原氧化石墨烯氣凝膠相結(jié)合的思路，結(jié)合化學(xué)氣相沉積和氣凝膠制備方法，制備出一種三維石墨烯雜化嵌套多級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)材料5。該材料集成了石墨烯及其三維網(wǎng)絡(luò)的高導(dǎo)電性、多孔材料的高孔隙率和高比表面積，以及還原氧化石墨烯豐富的含氧官能團(tuán)等結(jié)構(gòu)性能優(yōu)勢，解決了現(xiàn)有三維多孔石墨烯材料不能兼具高導(dǎo)電性及豐富官能團(tuán)的問題，在電化學(xué)儲能領(lǐng)域表現(xiàn)出良好應(yīng)用前景。

例如，他們將該材料作為鋰硫電池正極集流體，利用其多孔結(jié)構(gòu)和大的表面積很好解決了鋰硫電池面臨的“雙低”問題，同時實現(xiàn)了高達(dá)14.4 mg?cm－2的載硫量和89.4%(w)的硫含量。此外，其多孔結(jié)構(gòu)還能有效地緩解硫顆粒的體積膨脹，高導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)有利于離子和電子的快速傳導(dǎo)，還原氧化石墨烯表面殘留的含氧官能團(tuán)可以為電極提供高活性的位點來固定硫顆粒，抑制多硫化物的溶解和穿梭，因此在實現(xiàn)高容量的同時還可有效提高鋰硫電池的倍率和循環(huán)性能。例如，以9.8 mg?cm－2的載硫量和83.0%(w)的硫含量的石墨烯雜化嵌套網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)作為正極的鋰硫電池在0.2C倍率下表現(xiàn)出高達(dá)10.3 mAh?cm－2的面積容量，高于商用鋰離子電池的兩倍之多，并且具有很好的循環(huán)性能，甚至優(yōu)于報道的低載硫量和低硫含量的鋰硫電池的循環(huán)性能。利用該三維石墨烯雜化嵌套多級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)材料易于放大的特點，他們還組裝了正極面積可達(dá)10 cm2的大尺寸軟包鋰硫全電池，其比容量與扣式電池相當(dāng)，表現(xiàn)出良好的實用化前景。

由于高導(dǎo)電、多孔、富含官能團(tuán)的綜合結(jié)構(gòu)性能優(yōu)勢，這種石墨烯泡沫/還原氧化石墨烯氣凝膠雜化嵌套多級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)材料還可望在鋰離子電池、超級電容器等其他電化學(xué)儲能器件以及催化、傳感等領(lǐng)域獲得重要應(yīng)用。

References

(1)Yang,Y.;McDowell,M.T.;Jackson,A.;Cha,J.J.;Hong,S.S.; Cui,Y.Nano Lett.2010,10,1486.doi:10.1021/nl100504q

(2)Ji,X.;Lee,K.T.;Nazar,L.F.Nat.Mater.2009,8,500.doi:10.1038/nmat2460

(3)Miao,L.;Wang,W.;Yuan,K.;Yang,Y.;Wang,A.Chem. Commun.2014,50,13231.doi:10.1039/C4CC03410D

(4)Kim,J.S.;Hwang,T.H.;Kim,B.G.;Min,J.;Choi,J.W.Adv. Funct.Mater.2014,24,5359.doi:10.1002/adfm.201400935

(5)Hu,G.;Xu,C.;Sun,Z.;Wang,S.;Cheng,H.M.;Li,F.;Ren,W. Adv.Mater.2016,28,1603.doi:10.1002/adma.v28.8

10.3866/PKU.WHXB201603301