哈尔滨工程大学《2DM》：三维GO/CNT@NMP气凝胶，用于一次锂金属电池

成果简介

氧化石墨烯（GO）含有丰富的含氧官能团，可作为可行的一次锂金属电池的阴极材料。然而，GO 的非导电性阻碍了它的应用。本文，哈尔滨工程大学朱凯 副教授团队在《2D Materials》期刊发表名为“Constructing three-dimensional GO/CNT@NMP aerogels towards primary lithium metal batteries”的论文，研究提出了一种电极结构设计策略，以调节氧化石墨烯气凝胶（GO/CNT@NMP）电极的电子和离子导电性，同时保持原有的能量密度。在0.02Ag-1 的低速率下，GO/CNT@NMP显示出 703mAh g-1 的放电比容量和1655.76Wh kg-1 的超高能量密度。此外，它还实现了1.4Ag-1 的最大放电速率，是GO初始最大放电速率的五倍。表征和电化学测试表明，GO/CNT@NMP的优异性能可归因于其多孔结构、高导电性和大层间距。这项研究为超快一次电池的发展提供了一种有效的策略，旨在将超高能量密度和高速放电能力结合起来。

图文导读

图1.（a） GO/CNT@NMP气凝胶制备过程示意图;（b） GO/CNT@NMP 气凝胶物理照片;（c） 和 （d） GO/CNT@NMP 气凝胶的 SEM 图像;（e） GO 的 SEM 图像;（f） 和 （g） GO/CNT@NMP 的 HRTEM 和 SAED 图像;（h） GO/CNT@NMP 物理照片的 TEM 和 EDS 图像。

图2.（a） 阴极的 XRD 图谱;（b） 阴极的拉曼光谱;（c） GO、GO/CNT@NMP的C1s谱图;（d） GO/CNT@NMP 的 N1s 光谱;（e） 阴极和 NMP 的红外光谱;（f） GO 的 TGA 曲线，GO@NMP;（g） GO 复合 NMP 的机理图。

图3.（a）–（d） 不同电流密度下 GO、GO-C、GO-N 和 GO-NC 的恒流放电曲线;（e） GO、GO-C、GO-N、GO-NC 在 0.1 mv s−1 时的循环伏安曲线;（f） 放电速率和能量密度曲线;（g） 放电中位电压比较图;（h） 不同锂原电池正极能量密度的比较。

Figure 4. (a) EIS of GO, GO@NMP, GO/CNT and GO/CNT@NMP, (b) Rct fitting results (illustration: equivalent circuit model), (c) DCR measured discharge voltage curves, (d) DCR values corresponding to different times, (e) GITT curves, (f) DLi+ calculated by GITT.

小结

本文设计并实施了一种用于制造 GO 阴极的结构改性策略，即利用复合一维 CNT 制备高导电性多孔 GO 气体凝结物。通过引入 NMP，增加了 GO 层间距，为 Li2O 沉积预留了更多空间。同时，反应电阻减小，从而增加了放电深度。与 GO 相比，GO/CNT@NMP 具有较高的能量密度和优异的电子和离子导电性，离子迁移效率极高，并能改善反应动力学。因此，在 0.02 A g-1 的条件下，GO/CNT@NMP 一次电池的能量密度可达 1656 Wh kg-1。同时，GO/CNT@NMP 还具有良好的速率能力（在 1.4 A g-1 的超快速率下，能量密度为 677 Wh kg-1）。该方案为GO阳极的实际应用提供了一条可行的途径。

文献：https://doi.org/10.1088/2053-1583/ad6884