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香港理工大学Liang An课题组–三维石墨烯基材料的研究进展

近年来,由未堆叠的二维(2D)石墨烯片作为构建模块组成的三维(3D)石墨烯材料已被广泛报道。已经采用各种合成方法来制备具有不同3D结构的石墨烯材料,其在诸如能量和环境技术的广泛应用中显示出潜力。特别地,近年来经常报道3D石墨烯材料在基于金属(Li、Na、K、Mg、Al)-离子电池(MIB)系统中的应用。然而,3D石墨烯材料在MIB系统中的关键作用尚未得到全面讨论。在此,我们首先总结3D石墨烯材料的结构和制备。其次,我们说明了石墨烯层中金属离子的存储机制,即嵌入和吸附。第三,我们强调了3D石墨烯架构作为MIB应用中支撑和封装材料的优越功能。最后,我们讨论了MIB系统中各种3D石墨烯架构的优缺点。我们的目标是全面了解3D石墨烯材料,并指导未来MIB设计的方向。

香港理工大学Liang An课题组--三维石墨烯基材料的研究进展

Figure 1. (a)皱折石墨烯球的结构和制备示意图;(b-d)由不同GO浓度制备的褶皱石墨烯球的SEM图;(e-g)分别为(b-d)的高倍放大SEM图。

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Figure 2. (a)通过微爆炸方法制备石墨烯涡卷的示意图;(b-e)不同放大率下石墨烯的TEM图。

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Figure 3. (a)碳纳米纤维的低倍放大SEM图;(b)具有表面石墨烯片的碳纳米纤维的高倍放大SEM图像;(c和d)具有表面石墨烯片的碳纳米纤维的TEM图像;(e)制备石墨烯纤维的方案;(f)具有表面石墨烯片的碳纳米纤维的SEM图像;(g和h)生长4小时,甲烷浓度为11.1%的石墨烯纤维的SEM图像;(i和j)生长10小时,甲烷浓度为11.1%的石墨烯纤维的SEM图像;(k)石墨烯纤维膜的光学图像。

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Figure 4. (a)3D石墨烯笼合成的方案说明;(b)石墨烯包封Si微粒的TEM图像;(c)显示石墨烯笼分层结构的HRTEM图像;(d)去除Si微粒后的中空石墨烯笼;(e)构建具有最佳空隙空间石墨烯笼的示意图;(f)重量比21%硫包覆SnO2@石墨烯的TEM图像;(g)粗略制备用于比较的SnO2@graphene的TEM图像。

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Figure 5. (a)电压窗口在0.3和0.001 V之间(相对于Li/Li+),几层石墨烯的放电曲线;(b)电压窗口在0.3和0.001 V之间(相对于Li/Li+),石墨的放电曲线;(c和d)几层石墨烯的阴极和阳极CV扫描,log(i)对log(v)计算的斜率值;(e)表面控制过程和扩散控制过程的贡献;(f)随着Li浓度增加,锂离子在石墨烯表面上的分布示意图。

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Figure 6. (a)在0-2 V的电压窗口中,第一次放电/充电期间收集的原位XRD图案,电流密度为0.05 C;(b)C 1s光谱的非原位XPS;(c)Na 1s光谱的非原位XPS;(d)石墨烯基面中不同类型的缺陷部位;(e)具有钠离子的给定缺陷部位的化学吸附能量的DFT计算数据;(f)放电前样品的HRTEM图像;(g)放电至0.005 V后样品的HRTEM图像。

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Figure 7. (a)柔性的LTO/LFP/GF全电池的倍率性能;(b)10 C下,LTO/LFP/GF全电池的循环性能;(c)GB涂覆在NCM上的示意图;(d和f)原始NCM的SEM图像;(e和g)石墨烯球涂覆后NCM的SEM图像;(h和i)石墨烯层位于LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2的初级颗粒之间或涂覆在其上;(j)在60 C、25 C、5 C下,GB-NCM/GB全电池的循环寿命。

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Figure 7. (a)Na3V2(PO4)3的晶体结构;(b-e)3D石墨烯/C/NVP复合材料的SEM图像和TEM图像;(f和g)在10 C和40 C下,3D石墨烯/C/NVP复合材料的钠储存性质;(h)Na7V4(P2O7)4(PO4)的晶体结构;(i和j)3D石墨烯/C/Na7V4(P2O7)4(PO4)复合物的SEM图像和TEM图像;(k和l)3D石墨烯/C/ Na7V4(P2O7)4(PO4)复合物的钠储存性质。

相关研究成果于2019年由香港理工大学Liang An课题组,发表在Energy Environ. Sci.(DOI: 10.1039/c8ee03014f)上。原文:Advances in three-dimensional graphene-based materials: configurations, preparation and application in secondary metal (Li, Na, K, Mg, Al)-ion batteries。

本文来自石墨烯杂志,本文观点不代表利特纳米立场,转载请联系原作者。

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