石墨烯及其纳米复合材料作为锂离子电池负极的研究进展

自2004年被发现以来,石墨烯及其纳米复合材料因其特殊的结构和优异的性能而受到广泛关注,并在锂离子电池负极方面展现出巨大的应用价值。首先简单介绍了石墨烯及其常用制备方法,然后详细介绍了石墨烯及其纳米复合材料作为锂离子电池负极材料的研究现状,并阐述了各自的优势与不足,提出了一些改进方案,最后展望了其在锂电负极的应用前景和未来面临的挑战。     

石墨烯及其复合材料作为锂离子电池负极材料的研究进展

石墨烯作为一种锂离子电池负极材料表现出优异的电化学性能。本文介绍了石墨烯负极材料、金属/石墨烯复合材料、金属氧化物/石墨烯复合材料和其他石墨烯复合材料的研究现状,阐述了石墨烯作为负极材料的优越性,展望了石墨烯及其复合复合材料在锂离子电池负极材料中的应用前景。     

石墨烯/CuO锂离子电池负极材料的研究进展

石墨烯作为一种锂离子电池负极材料表现出优异的电化学性能,但石墨烯在充放电过程中容易团聚,导致其容量衰减特别快。而金属氧化物在充放电过程中体积膨胀大,因此其容量衰减也非常快;另外,金属氧化物的电导率低,导致其倍率性能差。将金属氧化物与石墨烯复合,两者性能互补,石墨烯可提高复合材料的电导率,缓解金属氧化物在充放电过程中的体积效应;金属氧化物可提高复合材料的储锂容量,并能阻止石墨烯在充放电过程中团聚。本文介绍了石墨烯/CuO锂离子电池负极材料的制备方法,分析了石墨烯与氧化铜及其复合材料的储锂机制,展望了石墨烯/CuO锂离子电池负极材料的应用前景,并指出了当前研究中存在的问题。     

石墨烯及其复合材料在锂离子电池负极材料中的应用

石墨烯作为一种仅有单原子层厚度的新型碳材料,具有独特的结构和优异的电学、热学、力学等性能.石墨烯的产业化应用一直是国际上的研究热点.由于其高电导率、超大的比表面积、高化学稳定性等优异的物理和化学特性,石墨烯作为锂离子电池电极材料有着巨大的应用前景.综述了近5年来石墨烯及其复合材料在锂离子电池负极材料中应用的最新研究成果和进展,并对今后的研究工作进行了展望.     

石墨烯基纳米复合材料用作锂离子电池负极的研究进展

锂离子电池是目前应用最为广泛的二次电池,但其能量密度仍无法满足人们的要求。锂离子电池的能量密度很大程度上取决于所用的电极材料,因此,探索性能优越的负极材料是锂离子电池研究的重要课题。综述了石墨烯基纳米复合材料作为锂离子电池负极的研究进展,分析了单一石墨烯、二元及三元石墨烯基纳米复合材料的结构对储锂性能的影响,指出了未来的研究方向。     

石墨烯基复合物作为锂离子电池正极材料的研究进展

石墨烯因其高导电、导热效应等而备受储能领域的关注,其复合材料用作锂离子电池负极材料时显著提升了锂离子电池的电化学性能。综述了石墨烯基复合材料作为锂离子电池正极材料的合成方法及电化学性能的研究。     

类石墨烯二硫化钼在锂离子电池负极材料中的研究进展

综述了近年来国内外应用于锂离子电池负极材料的类石墨烯MoS2基材料的研究进展。简要介绍了其晶体结构、制备方法、嵌锂反应机理,并详细介绍了2H-MoS2基材料在锂离子电池负极领域的研究进展,包括水热法、硬模板法和溶剂热法制备特殊形貌的2H-MoS2,以及无定形碳、介孔碳分子筛、碳纳米管、石墨烯/2H-MoS2复合材料及高分子聚合物/C/2H-MoS2复合材料的最新研究现状。     

锂离子电池负极材料二氧化锡的研究进展

作为一种新型锂离子电池负极材料,二氧化锡由于具有高比容量、低嵌锂电势等优点而受到了广泛关注。但是二氧化锡在充放电循环中体积变化过大,导致其不可逆容量损失大、循环性能较差。纳米化和合金化是解决这一问题的有效途径。综述了纳米结构二氧化锡及其复合材料,特别是二氧化锡纳米线、纳米棒、纳米管、纳米片等与无定形碳、碳纳米管、石墨烯的复合材料在锂离子电池负极材料中的研究进展,并展望了其应用前景。     

三维石墨烯纳米球的制备及其在锂离子电池中的应用

采用直流电弧放电法制备出一种三维石墨烯纳米球材料。采用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、拉曼光谱和X射线衍射光谱(XRD)等测试方法对三维石墨烯纳米球的形貌和结构进行了表征和研究。通过交流阻抗(EIS)、恒流充放电和循环稳定性测试等电化学测试手段来研究三维石墨烯纳米球作为锂离子电池负极材料的电化学性能。结果表明, 在电流密度为0.05 A/g下, 三维石墨烯纳米球作为锂离子电池负极材料的首次放电容量为485.9 mAh/g, 高于炭黑作负极的放电容量(401 mAh/g); 当电流密度为1 A/g时, 三维石墨烯纳米球负极材料仍然具有185.4 mAh/g的放电容量。在电流密度分别为0.5 A/g和2.5 A/g下, 充放电循环100次以后, 三维石墨烯纳米球的比容量几乎没有衰减, 这表明三维石墨烯纳米球作为锂离子电池的负极材料比炭黑具有更大的容量, 同时具有优异的循环稳定性。     

锂离子电池三维石墨烯基复合负极材料的研究进展

石墨烯具有优异的电学和力学性能以及高比表面积等特点,石墨烯基复合材料在电化学能源中的应用备受关注。构筑三维结构石墨烯基复合材料可以有效提高石墨烯材料的电化学性能。主要介绍了近年来国内外三维石墨烯基复合材料的制备方法及其在锂离子电池负极中的应用,并对其进一步的发展和应用予以展望。     

Graphene-encapsulated mesoporous SnO2 composites as high performance anodes for lithium-ion batteries

Mesoporous metal oxides such as SnO₂ exhibit a superior electrochemical performance as anode materials for lithium-ion batteries due to their large surface areas and uniform pores. However, they suffer from the capacity fading in varying degrees during cycles because their partial pores may collapse during the charge–discharge process. Herein, graphene-encapsulated mesoporous SnO₂ composites have been simply synthesized using a modified stepwise heterocoagulation method. These graphene-based SnO₂ composites exhibit not only higher capacities and better rate capabilities but also improved cycle performances, suggesting that the electrochemical performance of mesoporous SnO₂ can be further enhanced by graphene encapsulation.     

P25/graphene nanocomposites as a high-performance anode material for lithium ion batteries

P25/graphene nanocomposites were successful synthesized in a water-ethanol solvent under hydrothermal conditions. During the process of the reduction of GO into graphene (GR), the P25 nanoparticles were decorated on graphene sheets simultaneously. Moreover, the GR content in the as-synthesized nanocomposites can be easily adjusted by changing the dosage of P25. The interesting P25/GR nanocomposites were found to be a promising anode material for lithium-ion batteries and showed significantly enhanced Li-ion insertion/extraction performance. The optimal weight percentage of GR was found to be 29.9%, which resulted in a high capacity of 282.8 mAh g⁻¹ after 50 cycles at a current rate of 0.5 C. The improved capacity may be attributed to the synergetic effect between graphene sheets and P25 nanoparticles.     

石墨烯基储能材料的增材制造研究进展

石墨烯是一种具有大比表面积、高电导率和良好的力学性能的二维材料,在高容量和大功率储能器件方面具有广阔的应用前景。然而现有的各种石墨烯电极制造技术无论从技术层面还是在生产率、性能方面都难以满足当前工业应用的需求。石墨烯增材制造(石墨烯3D打印)在复杂三维石墨烯结构的制造方面具有突出的优势和潜力,而且还具有设备简单、成型结构可控性高等优点。关于石墨烯基电极材料的增材制造及应用在近两年内迅速发展。概述了基于增材制造制备石墨烯结构的典型技术——直写成型(DIW)的机理和优点,介绍了基于该技术制备的石墨烯基电极材料在超级电容器和锂离子电池领域的应用,最后对石墨烯基电极材料的增材制造面临的挑战和未来发展趋势进行了展望。     

锂离子电池硅/碳纳米管/石墨烯自支撑负极材料研究

通过真空驱动自组装法及蒸汽处理得到结构疏松的硅/碳纳米管/石墨烯自支撑负极材料(Si/CNTs/GP)。纳米硅颗粒(50 nm)为活性物质, 均匀分布在石墨烯片层结构中间; 石墨烯作为碳基体, 通过自组装构筑形成二维导电网络; 碳纳米管(CNTs)具有超高导电性和良好的力学强度, 它通过吸附作用均匀分布在石墨烯基体上形成导电的支撑网络结构。经过蒸汽处理后, 石墨烯层间距明显增大, 层与层之间不再是紧密堆叠的结构, 而是形成一种疏松、褶皱、内部空隙丰富的片层结构。Si/CNTs/GP负极材料中丰富的内部空穴和贯穿孔洞, 提供了材料很高的比表面积, 能有效提高电解液对材料的浸润性, 极大缩短了离子传输距离。同时这些内部空穴也有效缓冲硅充放电时的体积膨胀, 提高了材料的结构稳定性和电化学性能。该负极材料在4 A/g的大电流密度下容量维持在600 mAh/g, 表现出良好的大电流循环稳定性能。     

石墨烯/CdS量子点复合材料的电化学性能研究

原位合成法制备石墨烯/CdS量子点复合材料, 并考察其作为锂离子电池负极材料的电化学性能. 交流阻抗揭示电解质在石墨烯/CdS量子点复合材料表面形成稳定的SEI膜, 首次放电比容量达1264.7mAh/g, 循环20次后可逆容量为888.9mAh/g. 结果显示CdS量子点提高了石墨烯结构的稳定和层间传导性, 从而导致复合材料的电化学性能明显优于单独的石墨烯材料.     

碳纳米材料构建高性能锂离子和锂硫电池研究进展EI北大核心CSCD

碳作为单一元素可形成像零维碳纳米球、一维碳纳米管、二维石墨烯等多种碳纳米结构,它们在锂离子和锂硫电池中的表现也有所不同。需要阐明的是,碳纳米管和石墨烯由于具有以下缺点不适合直接作为锂离子或锂硫电池电极材料:(1)第一次不可逆容量大,首次充放电效率低;(2)在充放电曲线中电压滞后现象严重;(3)缺少稳定的电压平台;(4)容量衰减快。科学家们一直在为获得具有更高能量密度和更广阔应用前景的锂离子电池和锂硫电池而努力,由于可充电电池的性能主要取决于阴极和阳极的性能,因此,设计先进的电极材料以及制备具有特定成分和结构的电极成为近年来的研究热点。本文综述了碳纳米材料在构建高性能锂离子、锂硫电池电极材料和特定电极方面的作用。首先,从促进电子和离子传输、固定多硫化物位置以及缓冲体积膨胀三个方面讨论了碳纳米材料在修饰电活性材料的作用;其次,从作为导电添加剂、电流集流体和导电中间层三个方面讨论了碳纳米材料在最优化非活性组分的作用;然后,从作为非导电基体上的导电相、柔性电流集流体和自支撑复合电极三个方面讨论了碳纳米材料在柔性电池设计的作用。最后,本文对碳纳米材料的未来发展趋势作了概述,兼具多种功能的碳纳米材料被认为是今后的研究重点。     

SnO<Subscript>2</Subscript>/graphene composite with high lithium storage capability for lithium rechargeable batteries

SnO₂/graphene nanocomposites have been fabricated by a simple chemical method. In the fabrication process, the control of surface charge causes echinoid-like SnO₂ nanoparticles to be formed and uniformly decorated on the graphene. The electrostatic attraction between a graphene nanosheet (GNS) and the echinoid-like SnO₂ particles under controlled pH creates a unique nanostructure in which extremely small SnO₂ particles are uniformly dispersed on the GNS. The SnO₂/graphene nanocomposite has been shown to perform as a high capacity anode with good cycling behavior in lithium rechargeable batteries. The anode retained a reversible capacity of 634 mA·h·g⁻¹ with a coulombic efficiency of 98% after 50 cycles. The high reversibility can be attributed to the mechanical buffering by the GNS against the large volume change of SnO₂ during delithiation/lithiation reactions. Furthermore, the power capability is significantly enhanced due to the nanostructure, which enables facile electron transport through the GNS and fast delithiation/lithiation reactions within the echinoid-like nano-SnO₂. The route suggested here for the fabrication of SnO₂/graphene hybrid materials is a simple economical route for the preparation of other graphene-based hybrid materials which can be employed in many different fields.     

Laterally confined graphene nanosheets and graphene/SnO<Subscript>2</Subscript> composites as high-rate anode materials for lithium-ion batteries

High-rate anode materials for lithium-ion batteries are desirable for applications that require high power density. We demonstrate the advantageous rate capability of few-layered graphene nanosheets, with widths of 100–200 nm, over micro-scale graphene nanosheets. Possible reasons for the better performance of the former include their smaller size and better conductivity than the latter. Combination of SnO₂ nanoparticles with graphene was used to further improve the gravimetric capacities of the electrode at high charge-discharge rates. Furthermore, the volumetric capacity of the composites was substantially enhanced compared to pristine graphene due to the higher density of the composites.