氮摻雜多孔石墨烯構建高體積容量鋰電負極材料

科技 03-30

隨著攜帶型設備，新能源汽車，智能電網儲能電站等新興領域的迅速發展，鋰離子電池作為當前能源器件領域研究的主流面臨著前所未有的挑戰。不僅是在提高鋰離子電池質量能量密度，功率密度，倍率性能，穩定性等方面，尤其是在空間有限的便攜設備，動力汽車中，提高體積能量密度顯得格外重要。因此，研發新的同時具有高質量和體積容量，大充放電倍率，長循環穩定性的電極材料具有重要意義。

近年來，石墨烯受到了人們的廣泛關注。尤其作為鋰離子電池負極材料，其獨特的二維單原子結構和卓越的導電性，使得鋰離子得以在其表面快速的脫嵌，且脫嵌過程擺脫晶格限制，極大減小了因體積膨脹，粉化而導致的容量衰減，並且其理論容量要遠高於商業石墨粉。然而，這種獨特結構卻也造成其密度低，片層間易團聚，體積容量低等特點，直接阻礙了石墨烯作為鋰離子電池負極材料的商業化應用。

北京理工大學曲良體教授、博士研究生王霄鵬等針對這些問題，進行了深入研究，取得了重要進展。他們利用吡咯作為氮源，以雙氧水作為刻蝕劑，製備了含氮的多孔石墨烯。同時利用體積收縮的方法，構建了一種高密度氮摻雜的多孔石墨烯材料。研究結果表明，改性的石墨烯材料不僅提高了鋰離子的存儲容量，其多孔的結構同樣增強了電解液離子的傳輸，石墨烯結構的柔韌性及三維框架的構築有利於緩衝鋰離子脫嵌過程帶來的體積膨脹。從而使得到的石墨烯材料不僅具有高的體積容量（1052 mAh cm-3），同時也具備大的充放電倍率性能及長的循環穩定性（循環壽命達1200次）。

該工作中對石墨烯的改性及構建三維結構的方法，可以普遍應用於其他電極材料的設計中，有望推進具有高能量密度，大倍率，長壽命鋰離子電池的發展。相關結果發表在Advanced Energy Materials（DOI: 10.1002/adma.201502100）上。

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氮摻雜多孔石墨烯構建高體積容量鋰電負極材料