材料分析與應用 發布時間: 2021-06-25 09:14
成果簡介
隨著鋰離子電池（LIBs）的發展，進一步提高電池的能量密度迫在眉睫。 石墨烯具有優異的化學穩定性、高導電性和重量輕，是替代傳統金屬集流體提高電池能量密度的理想材料。本文，武漢理工大學的木士春教授與何大平教授在《 ACS Sustainable Chem. Eng.》期刊發表名為“Highly Reduced Graphene Assembly Film as Current Collector for Lithium Ion Batteries”的論文，研究報告了大尺寸（120 mm × 120 mm）石墨烯組裝薄膜 (GAF)， 具有高結晶度、導電性 ((2.30 ± 0.06) × 10 5S m –1 ) 和超輕重量 (3.18 mg cm –2 )。電極/GAF 界面具有更好的潤濕性和更低的接觸電阻。當所有金屬（Al/Cu）集流體被GAF替代時，全電池電極的能量密度可提高32.9%（面密度為4 mAh cm –2）。此外，具有 GAF 集流體的電極在循環穩定性、倍率性能和容量方面均有所改善。這些結果表明 GAF 作為一種高能量密度的鋰離子集流體具有廣闊的前景。圖文導讀
圖 1. (a) GAF 制造過程示意圖。(b) 高溫工藝還原的 120 mm × 120 mm GAF 樣品。(c) GAF 圍繞玻璃棒彎曲。(d) GAF 和報告的電子電導率的比較
圖 2. (a) GAF 的橫截面 SEM 圖像。(b) GAF 的表面形態。(c) 剝離的 GAF 的 TEM 圖像。插圖：部分放大的圖像。(d) 未退火的 GO 膜和 GAF 的拉曼、(e) XPS 和 (f) XRD 圖案比較。(g, h) LiFePO 4漿料在 GAF 上滴落 (g) 和 (h) 在鋁箔上的接觸角。(i)干燥后涂覆在 GAF 上的 LiFePO 4陰極的橫截面 SEM 圖像。
圖 3. (a) 初始兩個循環的充放電曲線。(b) LiFePO 4 /GAF 和 LiFePO 4 /Al 電極的循環性能和 (c) 倍率性能。(d) 石墨/GAF 和石墨/Cu 電極初始兩次循環的充放電曲線。(e) 20 次循環后石墨/GAF 電極的 SEM 圖像。(f) 石墨負極在不同集電器上的 EIS。（g）石墨/GAF和石墨/Cu電極的循環和（h）倍率性能。
圖 4. (a) GAF 集流體全電池結構圖。(b) 兩個全電池在 0.1 C 下初始兩個循環的充放電曲線。(c) 兩個全電池的循環性能。(d) 兩個全電池的速率性能。(e) 兩個全電池電極的能量密度比較。
小結
綜上所述，本文提出一種高導電的分層石墨烯組裝薄膜（GAF），它可以完全替代金屬箔作為LIB集流體并顯著提高電極的能量密度。當 GAF 用作正極和負極集流體時，組裝電池顯示出比使用鋁/銅箔集流體顯著提高的能量密度和更高的倍率性能和循環穩定性。
文獻：https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.1c02414
通訊作者介紹
木士春，武漢理工大學首席教授
長期致力于碳基納米材料、質子交換膜燃電池和電解水催化劑的應用基礎研究。目前，以第一作者或通訊作者在Nat. Commun.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Energy. Environ. Sci.、Adv, Energy. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Adv. Sci.、ACS Nano、Nano Energy、ACS Catal.、ACS Energy Lett.等國內外權威期刊上發表200余篇高質量SCI學術論文，論文他引1萬余次。申請國家發明專利102件，其中授權84件。
何大平，武漢理工大學教授，英國皇家學會牛頓學者，湖北省楚天學子，湖北省青年英才
研究方向為納米復合材料的制備與應用，特別是新型石墨烯材料的合成與結構調控、貴金屬納米材料的界面設計、以及貴金屬與石墨烯復合型材料在新能源設備、傳感器、射頻微波領域的應用。目前已在Nat. Commun., J.Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater.等國際知名期刊上發表學術論文80余篇，論文他引次數為2400余次，申請國家發明專利19件。