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【產(chǎn)通社，12月25日訊】中國(guó)科學(xué)院（Chinese Academy of Sciences）官網(wǎng)消息，電極的材料選擇及巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)構(gòu)建高性能的電化學(xué)儲(chǔ)能器件具有重要意義。三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)對(duì)均勻負(fù)載良好分散的活性納米結(jié)構(gòu)尤為重要，同時(shí)也能夠?yàn)榧{米活性物質(zhì)提供三維快速的電子和離子傳輸通道。一維石墨烯卷繼承了石墨烯優(yōu)異的電學(xué)性能，具有一維材料的一些性能，如表面積比大、載流子遷移率高、自聚集受限、機(jī)械強(qiáng)度高等。此外，與表面無(wú)縫的碳納米管相比，石墨烯卷在端口和邊緣處呈開(kāi)口狀，這更有利于電解液的滲透和離子的遷移。石墨烯卷是一種良好的自支撐電極框架，這種自支撐結(jié)構(gòu)可通過(guò)省去非電化學(xué)活性元件（包括電流收集體、導(dǎo)電劑和粘合劑）以提高儲(chǔ)能器件的能量密度和功率密度。因此，利用石墨烯卷作為導(dǎo)電骨架原位負(fù)載過(guò)渡金屬氧化物納米顆粒，不僅能夠避免納米顆粒因團(tuán)聚而導(dǎo)致的活性物質(zhì)利用受限問(wèn)題，而且為解決金屬氧化物負(fù)極材料體系存在的電子傳輸能力差以及因體積效應(yīng)而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)和界面穩(wěn)定性欠佳等問(wèn)題提供了解決方案。
物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心先進(jìn)材料與結(jié)構(gòu)分析實(shí)驗(yàn)室A05組基于此前發(fā)展出的超彈性碳?xì)饽z制備方法（Small, 15 (13): 1804779, 2019），合成一種自支撐還原氧化石墨烯卷；將石墨烯卷網(wǎng)絡(luò)與硫復(fù)合，構(gòu)建出具有高容量和長(zhǎng)循環(huán)鋰硫電池（Chinese Physics B, 27 (6): 068101, 2018）。近日，該組博士生陳鵬輝在中科院院士、物理所研究員解思深和研究員周維亞的指導(dǎo)下，與該組高級(jí)工程師王艷春、博士生李少青、博士肖卓建和陳輝亮等人，在前期工作基礎(chǔ)上，進(jìn)一步拓展了石墨烯卷網(wǎng)絡(luò)在電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用。
研究人員通過(guò)將離子與石墨烯片層進(jìn)行靜電吸附，并結(jié)合冰晶模板法和冷凍干燥技術(shù)，設(shè)計(jì)并制備出一種在三維互連石墨烯卷導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)上原位生長(zhǎng)MnO納米顆粒的超高倍率自支撐儲(chǔ)鋰負(fù)極；通過(guò)調(diào)控氧化石墨烯濃度，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)物中石墨烯由一維卷狀向二維片層狀的轉(zhuǎn)變。通過(guò)結(jié)合電化學(xué)測(cè)試和結(jié)構(gòu)表征，系統(tǒng)研究了不同微結(jié)構(gòu)與儲(chǔ)鋰反應(yīng)動(dòng)力學(xué)之間的關(guān)系。結(jié)果表明，由一維石墨烯卷構(gòu)建的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)比由二維石墨烯片層構(gòu)成的微結(jié)構(gòu)具有更強(qiáng)的電子/離子轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)，從而表現(xiàn)出更佳的倍率性能和更高的循環(huán)穩(wěn)定性。
此外，石墨烯卷作為骨架材料，與MnO納米顆粒通過(guò)Mn-O-C化學(xué)鍵緊密結(jié)合，在構(gòu)建多種結(jié)構(gòu)單元搭建多級(jí)微結(jié)構(gòu)的同時(shí)，能夠有效保證金屬氧化物在嵌/脫鋰過(guò)程中結(jié)構(gòu)和界面的穩(wěn)定性，電極在1000次循環(huán)后，仍能夠維持原有的多級(jí)結(jié)構(gòu)�；谶@種互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的自支撐負(fù)極展示出快速、持久的儲(chǔ)鋰能力，具有在20A g-1下比容量為203mAh g-1的超高倍率性能，以及在2A g-1下循環(huán)1000次后比容量為759mAh g-1的長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定性。基于此高倍率-高容量特性的自支撐負(fù)極構(gòu)建的鋰離子電容器在功率密度為139.2W kg-1時(shí)，具有達(dá)179.3Wh kg-1的能量密度；得益于電極材料良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，鋰離子電容器在5A g-1下循環(huán)5000周的容量保持率為80.8%。該研究采用的制備方法可為其他具有電子/離子電導(dǎo)率較低、因體積變化大而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)和界面不穩(wěn)定等普遍問(wèn)題的金屬氧化物負(fù)極材料的設(shè)計(jì)與改進(jìn)提供新思路。
相關(guān)研究成果以In situ anchoring MnO nanoparticles on self-supported 3D interconnected graphene scroll framework: A fast kinetics boosted ultrahigh-rate anode for Li-ion capacitor為題，發(fā)表在Energy Storage Materials上。研究工作得到科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委和中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)（A）類(lèi)等的支持。
查詢(xún)進(jìn)一步信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)官方網(wǎng)站 http://www.cas.cn。（robin zhang, 張底剪報(bào)） （完）
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