成果简介
虽然化学掺杂石墨烯已显示出巨大的前景，但缺乏具有成本效益的制造方法阻碍了其应用。本文，美国康奈尔大学Yong Lak Joo等研究人员在《ACS AMI》期刊发表名为“Modality-Tunable Exfoliated N-Doped Graphene as Effective Electrolyte Additive for High-Performance Lithium–Sulfur Batteries”的论文，研究利用一种简便的制造方法，通过对泰勒-库埃特反应器中的水相剥离少层石墨烯进行热退火，制造出模态可调的 N 掺杂石墨烯。这种方法展示了高水平的N掺杂（27atom % N），并在不放弃可扩展性和绿色化学原理的前提下提供了C-N键的模态可调性。在锂硫电池电解液中采用了不同氮含量和掺杂方式的掺氮石墨烯，以解决离子电导率低、多硫化锂 (LiPS) 穿梭和锂阳极不稳定等问题。研究发现，电解质中较高的氮含量和吡啶氮化石墨烯会对电池性能产生积极影响。
研究结果有两方面：较高的氮含量提高了电池在 0.2C条件下循环225次后的容量保持率（73%），而吡啶型氮在高摄氏度条件下表现出最佳性能，相对于 2C条件下的参考电池，容量提高了4倍。此外，计算研究还验证了实验观察到的锂离子对吡啶氮的吸附亲和性以及石墨烯骨架上锂离子迁移率的提高。这项关于N掺杂浓度和方式对电化学性能影响的首次实验研究，为定制N功能化以实现卓越的电化学性能提供了启示。
图文导读
图1.说明石墨烯剥离、N 掺杂和 Li/S 电池制造的整体工艺示意图。
图2.石墨烯薄片的表面形貌
图3.N-Gr样品的光谱分析.
图4.N-Gr 样品的拉曼分析。
图5.电化学性能
图6. 吸附在石墨烯表面 (a) 吡啶氮位点和 (b) 吡咯氮位点上的 Li2S4、Li2S6 和 Li2S8 的 DFT 优化构型。
小结
总之，我们成功报告了一种简便、可扩展的绿色方法，用于制造高功能化、模态可调的掺杂N的石墨烯，作为锂-S 电池醚基液体电解质的添加剂。在尿素中对TCR石墨烯进行热退火，可确保 N-Gr 生产的成本效益和可扩展性，同时保持环保性，因为在整个过程中无需使用任何有机溶剂。制得的 N-Gr 可用作醚基液态电解质锂-S 电池的低质量负荷添加剂。本研究通过一系列多硫化物吸附实验、电化学表征和性能测试以及电池死后分析，报告了高掺杂 N-Gr 在显著改善Li-S系统电化学性能方面的有益作用。我们的研究结果突显了与改变石墨烯上的 N 掺杂浓度和模式相关的几个关键电化学性能趋势。随着石墨烯上吡啶N掺杂剂含量的增加，电池的离子导电性增强，高速率动力学改善，电池极化降低，这是因为锂与吡啶N掺杂剂有更好的亲和性。
总体而言，吡啶基N掺杂含量较高的N-Gr比吡咯基N掺杂含量较高的 N-Gr 具有更好的离子导电性。此外，锂离子吸附研究和电池死后分析表明，添加剂的 N 掺杂浓度越高，锂离子锚定效果越好，活性材料利用率越高，容量衰减越低，循环稳定性越好。我们的DFT和AIMD研究也证实了这一点，证明锂离子电池与吡啶氮装饰石墨烯的亲和力增强。据我们所知，这项研究首次尝试将实验和计算分析相结合，以真正阐明掺氮石墨烯在Li-S系统中的电化学性能。我们坚信，研究凸显了N-Gr作为传统Li-S电池的高效、商业化电解添加剂的巨大潜力。
文献：https://doi.org/10.1021/acsami.4c12157
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