材料分析與應(yīng)用 發(fā)布時間: 2021-06-25 09:14
成果簡介
隨著鋰離子電池（LIBs）的發(fā)展，進(jìn)一步提高電池的能量密度迫在眉睫。 石墨烯具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性、高導(dǎo)電性和重量輕，是替代傳統(tǒng)金屬集流體提高電池能量密度的理想材料。本文，武漢理工大學(xué)的木士春教授與何大平教授在《 ACS Sustainable Chem. Eng.》期刊發(fā)表名為“Highly Reduced Graphene Assembly Film as Current Collector for Lithium Ion Batteries”的論文，研究報(bào)告了大尺寸（120 mm × 120 mm）石墨烯組裝薄膜 (GAF)， 具有高結(jié)晶度、導(dǎo)電性 ((2.30 ± 0.06) × 10 5S m –1 ) 和超輕重量 (3.18 mg cm –2 )。電極/GAF 界面具有更好的潤濕性和更低的接觸電阻。當(dāng)所有金屬（Al/Cu）集流體被GAF替代時，全電池電極的能量密度可提高32.9%（面密度為4 mAh cm –2）。此外，具有 GAF 集流體的電極在循環(huán)穩(wěn)定性、倍率性能和容量方面均有所改善。這些結(jié)果表明 GAF 作為一種高能量密度的鋰離子集流體具有廣闊的前景。圖文導(dǎo)讀
圖 1. (a) GAF 制造過程示意圖。(b) 高溫工藝還原的 120 mm × 120 mm GAF 樣品。(c) GAF 圍繞玻璃棒彎曲。(d) GAF 和報(bào)告的電子電導(dǎo)率的比較
圖 2. (a) GAF 的橫截面 SEM 圖像。(b) GAF 的表面形態(tài)。(c) 剝離的 GAF 的 TEM 圖像。插圖：部分放大的圖像。(d) 未退火的 GO 膜和 GAF 的拉曼、(e) XPS 和 (f) XRD 圖案比較。(g, h) LiFePO 4漿料在 GAF 上滴落 (g) 和 (h) 在鋁箔上的接觸角。(i)干燥后涂覆在 GAF 上的 LiFePO 4陰極的橫截面 SEM 圖像。
圖 3. (a) 初始兩個循環(huán)的充放電曲線。(b) LiFePO 4 /GAF 和 LiFePO 4 /Al 電極的循環(huán)性能和 (c) 倍率性能。(d) 石墨/GAF 和石墨/Cu 電極初始兩次循環(huán)的充放電曲線。(e) 20 次循環(huán)后石墨/GAF 電極的 SEM 圖像。(f) 石墨負(fù)極在不同集電器上的 EIS。（g）石墨/GAF和石墨/Cu電極的循環(huán)和（h）倍率性能。
圖 4. (a) GAF 集流體全電池結(jié)構(gòu)圖。(b) 兩個全電池在 0.1 C 下初始兩個循環(huán)的充放電曲線。(c) 兩個全電池的循環(huán)性能。(d) 兩個全電池的速率性能。(e) 兩個全電池電極的能量密度比較。
小結(jié)
綜上所述，本文提出一種高導(dǎo)電的分層石墨烯組裝薄膜（GAF），它可以完全替代金屬箔作為LIB集流體并顯著提高電極的能量密度。當(dāng) GAF 用作正極和負(fù)極集流體時，組裝電池顯示出比使用鋁/銅箔集流體顯著提高的能量密度和更高的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。
文獻(xiàn)：https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.1c02414
通訊作者介紹
木士春，武漢理工大學(xué)首席教授
長期致力于碳基納米材料、質(zhì)子交換膜燃電池和電解水催化劑的應(yīng)用基礎(chǔ)研究。目前，以第一作者或通訊作者在Nat. Commun.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Energy. Environ. Sci.、Adv, Energy. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Adv. Sci.、ACS Nano、Nano Energy、ACS Catal.、ACS Energy Lett.等國內(nèi)外權(quán)威期刊上發(fā)表200余篇高質(zhì)量SCI學(xué)術(shù)論文，論文他引1萬余次。申請國家發(fā)明專利102件，其中授權(quán)84件。
何大平，武漢理工大學(xué)教授，英國皇家學(xué)會牛頓學(xué)者，湖北省楚天學(xué)子，湖北省青年英才
研究方向?yàn)榧{米復(fù)合材料的制備與應(yīng)用，特別是新型石墨烯材料的合成與結(jié)構(gòu)調(diào)控、貴金屬納米材料的界面設(shè)計(jì)、以及貴金屬與石墨烯復(fù)合型材料在新能源設(shè)備、傳感器、射頻微波領(lǐng)域的應(yīng)用。目前已在Nat. Commun., J.Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater.等國際知名期刊上發(fā)表學(xué)術(shù)論文80余篇，論文他引次數(shù)為2400余次，申請國家發(fā)明專利19件。