广东工业李运勇教授团队Nano lett.:高度致密的石墨烯和氮掺杂碳双包封纳米锡块体材料实现超高体积容量和长稳定的锂/钠储存

【研究背景】

    电化学能源存储设备的小型化已经成为消费电子产品和电动汽车领域的研究前沿,需要在有限的设备空间内尽可能存储多的能量。由于碳基纳米材料大的表面积、低的堆积密度等问题,限制了其体积能量密度。锡基材料有望成为高质量和体积比容量的锂/钠离子电池的负极,但是通常需采用低密度的碳来包覆纳米尺度的锡,以解决其电化学循环过程中所带来的巨大体积变化的问题,但却导致锡基复合材料的体积密度显著降低,即体积比容量也显著降低。因此,开发一种简单且通用的策略来将纳米复合材料粉末组装成高密度和高致密结构,并以此有效缓冲锡的体积膨胀的同时,实现电极材料的高密度和致密化,由此在保证高质量比容量的同时,实现高体积比容量并兼具长循环稳定性的工作富有挑战性。

【工作介绍】

    针对以上问题, 广东工业大学李运勇教授团队联合澳大利亚伍伦贡大学郭再萍教授等设计了一种高度致密的石墨烯和氮掺杂碳双包封块体纳米锡 (HD N-C@Sn/G),其中氮掺杂碳和石墨烯将双重包封纳米锡颗粒,所得的致密块体具有2.6 g cm-3的高密度和212 S m-1的高电导率得益于其独特的优势:1)石墨烯和氮掺杂碳双封装Sn的结构,能够有效缓冲Sn的体积膨胀;2)高体积密度能够实现高体积能量密度的储存,该高密度的电极作为锂离子电池和钠离子电池负极材料均呈现出超高的体积比容量和出色的长期循环稳定性,在0.1 A g-1的电流密度下,循环100次后呈现出2692 mAh cm-3的高体积容量,以及在1.0 A g-1下实现超过1500次的超长循环稳定性,且每个循环仅衰减0.019%;3)通过原位的TEM和非原位的SEM电镜证实了高致密的石墨烯和氮掺杂碳双封装Sn的结构,能有效缓解电极循环过程中Sn的体积膨胀;4)以该致密电极作为负极,钴酸锂作为正极所组成的全电池,也实现了高的循环稳定性。该文章发表在国际顶级期刊 Nano Letters 上。李运勇教授为本文第一作者兼通讯作者。

广东工业李运勇教授团队Nano lett.:高度致密的石墨烯和氮掺杂碳双包封纳米锡块体材料实现超高体积容量和长稳定的锂/钠储存图1. Graphical illustration of the structural merits and high-stability of the volumetric lithium/sodium storage mechanism (A), and the volumetric cycling performance of the HD N-C@Sn/G anode for 100 cycles at 0.1 A g-1 (B), as well as galvanostatic charge-discharge curves of an LiCO//HD N-C@Sn/G full cell at 0.1 A g-1 (C). Inset in (C) is a photograph of a full-cell device for powering 27 red LEDs with the GDUT pattern. 

Yunyong Li, Changzhi Ou, Junlu Zhu,et al, Ultrahigh and Durable Volumetric Lithium/Sodium Storage Enabled by a Highly Dense Graphene-Encapsulated Nitrogen-Doped Carbon@ Sn Compact Monolith. Nano Letters, 2020, DOI:10.1021/acs.nanolett.9b05349

作者简介

    李运勇博士,广东工业大学材料与能源学院教授,博士生导师,广东省高等学校青年珠江学者、广东省杰出青年科学基金和广州市珠江科技新星获得者,获《科学中国人》材料学科2016年度人物。主要致力于石墨烯和MXene基电化学储能材料的研究(包括锂离子电池、锂硫电池和超级电容器等)。承担国家自然科学基金面上、广东省杰出青年科学基金、省应用型研发重大专项等项目近10项。已在Adv. Mater.; Nano Lett.; Nano Energy; Appl. Catal. B-Environ.等国际期刊上发表SCI 论文50余篇,其中IF>10的十余篇,1篇被《Nature》作专题报道,单篇最高引用510余次,申请和授权发明专利20余件。

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参考文献:Nano Letters