人們對高能量密度和優(yōu)異倍率性能電池的需求日益增長，推動了可充電鋰離子電池(LIBs)的發(fā)展。電荷轉(zhuǎn)移動力學(xué)和極化理論是LIBs中電荷調(diào)節(jié)的基本原理，電子和離子的快速轉(zhuǎn)移對電化學(xué)反應(yīng)過程至關(guān)重要。石墨烯作為高性能LIBs中電荷調(diào)節(jié)的有前途的候選材料，因其優(yōu)異的載流子遷移率、大比表面積和結(jié)構(gòu)可調(diào)性等特點而受到廣泛的研究。綜述了石墨烯的結(jié)構(gòu)設(shè)計和界面修飾以調(diào)節(jié)LIBs中電荷傳輸?shù)淖钚卵芯窟M展。此外，還詳細闡明了石墨烯的結(jié)構(gòu)與其在LiBS中的專用應(yīng)用之間的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系。以石墨烯為典型例子探索電荷調(diào)節(jié)機制，將勾勒出進一步了解和改進碳基納米材料的方法，為下一代電化學(xué)儲能裝置打下基礎(chǔ)。
圖1. 修飾石墨烯通過缺陷工程在LIBS中的電荷調(diào)節(jié)作用。
圖2. LiFePO
4電極中動力學(xué)過程示意圖。
圖3. 石墨烯的設(shè)計和改性方案示意圖。
圖4. (a)大尺寸石墨烯和(b)小尺寸石墨烯對電子輸運和LIBs中鋰離子的影響。
圖5.原始石墨烯和三種典型的石墨烯修飾方案，通過引入缺陷，用于促進LIBs中的電荷傳輸。(a)完美結(jié)構(gòu)石墨烯基體示意圖。(b)在石墨烯晶格中引入缺陷和孔隙，加速電解質(zhì)的滲透和Li
+的擴散。(c)氧化功能化石墨烯產(chǎn)生活性材料與氧化石墨烯(或還原氧化石墨烯)之間緊密接觸的錨定點，以實現(xiàn)電子和離子的高效轉(zhuǎn)移。(d)在石墨烯晶格中摻雜雜原子(N, S, B, P)來調(diào)整石墨烯的局部電子結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)電子快速轉(zhuǎn)移。
圖6. (a)制備LFP/C-rGO雜化物的示意圖。LFP, LFP/C, LFP/C-rGO復(fù)合材料和LFP/C-rGO雜化物的(b)容量保持率、庫侖效率和(c)速率性能的比較。(d)采用同步圖形化方案制備 ZnFe
2O
4-RGO雜化物的圖示。ZnFe
2O
4、ZnFe
2O
4-RGO1和ZnFe
2O
4-RGO的(e)循環(huán)穩(wěn)定性和(f)倍率容量。
圖7. (a)石墨烯晶格中N和B結(jié)合條件的結(jié)構(gòu)原理圖，用品紅點環(huán)標出。(b)N-摻雜和(c)B-摻雜石墨烯電極在不同電流速率下的恒電流充放電曲線。(d) N-摻雜和(e) B-摻雜石墨烯電極在0.5~25 A·g
-1的電流密度下的倍率能力和循環(huán)性能。
圖8. 不同維度的石墨烯基宏觀結(jié)構(gòu)示意圖。(a)和(b)為石墨烯基一維宏觀形式。 (c)-(e)為石墨烯基二維宏觀形式。(f)-(h)為石墨烯基三維宏觀形式。
圖9. (a)NHGM制備示意圖。(b)不同面力負荷下NHGM電極的循環(huán)性能。(c) NHGM電極與其它報道的硅基和碳/硫混合電極相比，容量隨循環(huán)次數(shù)的變化。
圖10. 石墨烯基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)模型。膠囊化的：石墨烯包裹單一活性物質(zhì)顆粒。混合的: 在電極制備過程中，單獨合成和機械混合石墨烯與活性材料。包裹的: 活性物質(zhì)顆粒被多個石墨烯片包裹。錨定的: 這是石墨烯復(fù)合材料最常見的結(jié)構(gòu)，其中電活性納米粒子錨定到石墨烯表面。類三明治模型: 以石墨烯為模板制備活性材料/石墨烯三明治結(jié)構(gòu)。分層模型: 活性材料納米粒子與石墨烯片交替形成復(fù)合層結(jié)構(gòu)。
圖11. (a)由于接觸不良和弱附著力，集流器與電極材料之間的界面存在界面電阻的示意圖。(b)石墨烯改進集流器與電極材料之間有效電子轉(zhuǎn)移示意圖。(c) 3D互連多孔氮摻雜石墨烯泡沫作為柔性可充電LIB集流器的結(jié)構(gòu)和電化學(xué)特性示意圖。(d)石墨烯Al箔涂層用作用等離子體-增強化學(xué)氣相沉積作為LFP陰極的集流器，和(e)使用輥壓和浸涂工藝的微圖案鋁箔為NCA陰極的N-摻雜和F-摻雜石墨烯界面層。
圖12. (a)石墨烯與其他導(dǎo)電劑的競爭與合作。(b)含石墨烯導(dǎo)電劑的LFP電極的形態(tài)和電化學(xué)表征。 (c)采用Super-P和石墨烯復(fù)合導(dǎo)電劑的Nb
2O
5電極。和(d)含有乙炔黑和石墨烯復(fù)合導(dǎo)電劑的尖晶石LiMn
2O
4電極。
相關(guān)研究成果由北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，北京分子科學(xué)國家研究中心Danping Sun等人于2021年發(fā)表在Nano Research(https://doi.org/10.1007/s12274-021-3405-0)上。原文：Graphene: A promising candidate for charge regulation in high-performance lithium-ion batteries。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
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