中山大学《Carbon》：刚柔耦合多级碳复合材料，用于超长循环锂离子电池

成果简介

石墨烯因其无序结构、宽层间距和成本效益而备受关注。多孔还原氧化石墨烯（rGO）纳米片与空心碳纳米球的分层多孔结构具有完整的导电网络和坚固的结构等优点。然而，由于空心碳纳米球与 rGO 存在物理接触，它们随机分散在石墨烯表面，严重阻碍了电子的快速传输，导致电化学性能低下。本文，中山大学 吕树申教授团队在《Carbon》期刊发表名为“Rigid-flexible Coupling Multistage Carbon Composite Materials based on Hybrid Crosslinking as Anodes for Ultra Long-Cycling Lithium-Ion Batteries”的论文，研究在多孔rGO片和空心碳纳米球的基础上引入了第三层聚吡咯（PPy）衍生碳膜。通过rGO和PPy衍生碳膜的协同作用，成功制备了HCGP-200阳极，在 rGO 片上有效封装了空心碳纳米球。HCGP-200阳极具有强劲的循环性能（在5Ag-1 条件下循环2200次后达到780mAh g-1）和出色的速率容量。此外，即使在 20Ag-1的超高电流密度下，它也能表现出出色的循环稳定性和显著的容量保持率（3000次循环后为450mAh g-1）。HCGP-200的巧妙设计和制备对于指导大功率电器的应用具有重要意义。

图文导读

图1.HCGP-200制备工艺的制备流程图及机理图

图2.HCGP-200的（a）TEM图像和（b）SEM图像。HCGP-500的（c）TEM图像和（d）SEM图像。HCNS-200的（e）TEM图像和（f）SEM图像。HCNS-500的（g）TEM图像和（h）SEM图像。（i1-i4）HCGP-200 和 EDX 映射帧的 STEM （HAADF） 图像。

图3. (a) HCGP-200、HCGP-500、HCNS-200 和 HCNS-500 的 XRD 图样。(b) HCGP-200 的 XPS 全光谱。(c) HCGP-200 的 C 1s XPS 光谱。(d) HCGP-200 的 N 1s XPS 光谱。(e) HCGP-200 的 O 1s XPS 光谱。(f) HCGP-200、HCGP-500、HCNS-200 和 HCNS-500 的拉曼光谱。(g) HCGP-200 和 SiO2@PPy@GO@PPy 的傅立叶变换红外光谱。(h) HCGP-200、HCGP-500、HCNS-200 和 HCNS-500 的 N2 吸附-解吸等温线和 (i) 孔径分布。

图4. (a) 扫描速率为0.1mV s-1 时的 CV 曲线。(b) HCGP-200在0.1Ag-1 下前 250个循环的充放电曲线。(c) HCGP-200、HCGP-500、HCNS-200 和 HCNS-500电极的速率性能比较。(d) HCGP-200、HCGP-500、HCNS-200 和 HCNS-500电极在1Ag-1 条件下的循环曲线。(e) HCGP-200和HCGP-500在0.1Ag-1 条件下的循环曲线。(f) HCGP-200在5和20Ag-1下的循环曲线。

图5. (a) HCGP-200 在不同扫描速率下的 CV 曲线。(b) Log iP 与 Logν 之间的关系。(c) 电容对总锂存储容量的贡献。(d) 电容贡献的百分比。(e) HCGP-200 和对比样品的 GITT 曲线和 (f) 电位与时间的关系。(g) 放电和 (h) 充电过程中的锂离子扩散系数。

图6.HCGP-200及其比较样品在循环前和100次循环后的SEM照片

小结

总之，我们的研究成功地利用聚吡咯连接的中空碳纳米球和rGO制备了结构紧凑的多级多孔碳材料HCGP-200。这三种成分的协同作用赋予了电极出色的储锂性能。即使在5ag-1下进行2200次循环后，HCGP-200阳极仍保持780 mAh g-1的比容量。此外，在20Ag-1的极高电流密度下，经过3000次循环后，其可逆容量为450mAh g-1。这种多级梯度结构有效地承受了充电和放电过程中的应力变化，增强了材料的结构稳定性，并提高了结构的导电性。因此，它能够实现电极的可逆和快速充电和放电，这对大功率电池的应用具有相当重要的意义。

文献：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2024.119548