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到250 Wh?kg－1，但受正極材料比容量進一步提高的限制，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，以金屬鋰為負極、單質(zhì)硫為正極的鋰硫電池的理論比能量可達2600 Wh?kg－1，遠高于現(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