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石墨烯優(yōu)化磷基材料可提高電化學(xué)性能

作者:中國儲能網(wǎng)新聞中心 來源:MaterialsViews 發(fā)布時間:2016-10-11 瀏覽:

中國儲能網(wǎng)訊:由于鈉在地殼中有豐富的儲量,約占2.74 %,且分布廣泛,價格低廉,被認(rèn)為是有可能替代鋰離子電池用于大規(guī)模儲能系統(tǒng)的首選新型電源技術(shù),近年來引起廣泛關(guān)注。目前關(guān)鍵的技術(shù)難題是找到與之匹配的電極材料。

在眾多的負(fù)極材料中,紅磷擁有七倍于商用石墨電極的理論比容量(2596 mAh g?1),而且廉價易得,環(huán)境友好,被認(rèn)為是很有研究價值的電池負(fù)極材料。但是,紅磷存在低導(dǎo)電性和在充放電過程中體積膨脹等問題,制約了其在鈉離子電池中的應(yīng)用。

針對這個問題,目前主要的應(yīng)對手段是從控制紅磷顆粒度大小和提高導(dǎo)電性兩方面來著手的,而且也獲得了很大的提高,但仍然存在一些問題有待解決。如簡單的將紅磷和碳材料機械混合的方法存在紅磷顆粒度大,碳材料覆蓋有限等問題;傳統(tǒng)的氣化-冷凝技術(shù)由于在磷氣化過程中不可控因素導(dǎo)致紅磷的負(fù)載量不高。

針對上述問題,澳大利亞伍倫貢大學(xué)(University of Wollongong, UOW)郭再萍(Zaiping Guo)教授和陳俊(Jun Chen)副教授課題組提出了一種新型的氣化重組技術(shù),制備出碳/紅磷/石墨烯氣凝膠三維多孔復(fù)合材料。

眾所周知,石墨烯氣凝膠具有孔隙率高、比表面積大、力學(xué)性能優(yōu)異和導(dǎo)電性高等特點,并且一直被人們廣泛關(guān)注。在該方法中,首先利用石墨烯氣凝膠將紅磷包裹在其中,然后采用氣相沉積法將聚吡咯包在整個氣凝膠上,最后在惰性氣氛中快速的進行材料內(nèi)部紅磷的氣化重組,并且快速冷卻。在這個特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計中,紅磷(10-20nm)顆粒被包裹在石墨烯層和碳層中間,不僅提高了材料的導(dǎo)電性,而且很好的緩沖了電極材料在充放電過程中產(chǎn)生的體積膨脹,三維多孔結(jié)構(gòu)也為電解液的充分浸潤提供了條件。除此之外,由于對氣化重組時間的控制和之后的快速冷卻處理,可以有效的減少/防止白磷的生成,提高了安全性并且簡化了實驗過程。

此復(fù)合電極材料表現(xiàn)出了優(yōu)異的儲鈉性能。在0.1C的電流密度下,經(jīng)過100次循環(huán)后,這種復(fù)合材料能夠保持1867 mA h g-1的容量。在1C的高電流密度下,經(jīng)過200次循環(huán)后,仍然能夠保持1095.5 mA h g-1的容量。本研究提供了一種氣化重組的新思路,即在紅磷、石墨烯氣凝膠和聚吡咯形成的三維多孔前驅(qū)體中,進行可控的材料內(nèi)部的氣化重組,不僅大大的縮小了磷顆粒的尺寸,使得磷顆粒在三維結(jié)構(gòu)內(nèi)部均勻分布,而且在一定程度上提高了磷的負(fù)載量。

磷基復(fù)合材料在經(jīng)過這種新型的氣化重組技術(shù)優(yōu)化后,顯示出了很高的比容量和高倍性能,在循環(huán)穩(wěn)定性方面也得到的大大的提升。這種新型的氣化重組技術(shù)的新思路還可以擴展到其他具有大的體積膨脹和可氣化/相對低熔點的電極材料中。

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