电化学剥离的石墨烯应用于高性能钠离子电池

日期:2018-10-23 / 人气: / 编辑:jutan / 来源:互联网

磷烯作为一种“后石墨烯时代材料”,具有皱褶的二维层状结构,直接能带间隙,层内各向异性以及超高的钠电理论比容量等特性,近年来在光电、催化和储能材料等领域受到了大量研究者的广泛关注。

目前,有关磷烯作为锂/钠离子电池的负极材料的研究有着大量的报道,其制备少层磷烯的方法均为机械剥离或者液相剥离。但机械剥离法可控性较差,液相剥离法耗时长,会减小少层磷烯的尺寸并引入大量的缺陷。

因此,探索更有效的制备大面积的、 缺陷少的少层磷烯的方法对基础研究和实际应用中的发展具有重要的意义。 中南大学纪效波教授团队,长期致力于电化学方法制备新能源材料。电化学法利用阳极氧化或者阴极阳离子插入使得二维材料结构膨胀,是一种有潜力的具可扩展性的剥离二维材料的方法。

纪效波教授团队将电化学阴极剥离的方法引入到磷烯的制备中,得到了层数可控、面积大、缺陷少的磷烯,并将通过电化学方法制备的磷烯应用到钠离子电池负极材料中,表现出了优异的电化学性能(Adv. Mater. 2017)。但是,磷烯作为钠离子电池的负极材料,在充放电过程中,由于合金化反应使其体积膨胀,从而导致其电化学性能严重退化。

因此,设计一种能够缓解磷烯在充放电过程中的体积膨胀的磷烯基复合物具有重大的意义。 基于此,中南大学纪效波教授团队设计了一种利用化学活化电化学剥离的磷烯和石墨烯制备具有化学键(P-C,P-O-C)的phosphorene-graphene三明治结构混合物作为高性能钠离子电池负极材料,表现出了优异的电化学性能。首电化学剥离制备的磷烯和石墨烯具有尺寸大、缺陷小的优点。

其次,利用化学活化引进的P-C,P-O-C键可以能够作为电子传送的桥梁,且能够固定磷烯在石墨烯片层之中,从而阻止了磷烯在充放电过程中结构的坍塌。最后,三明治结构phosphorene-graphene复合材料,石墨烯可提供一定的弹性空间,从而有效减缓磷烯的体积膨胀。

该研究为电化学方法制备其他三明治结构的2D材料提供了一种创新性思路。 该文章“Electrochemically Exfoliated Phosphorene–Graphene Hybrid for Sodium-Ion Batteries”在Small Methods期刊在线发表(DOI:10.1002/smtd.201800328)。论文第一作者为帅洪磊博士,纪效波教授为论文的通讯作者。