编号：NMJS09586
篇名： 氟氮共掺杂多孔石墨烯微球的制备及其储锂/钾性能研究
作者： 谭文广
关键词： 多孔石墨烯微球; 结构工程; 氟氮共掺杂; 锂离子电池; 钾离子电池;
机构：湘潭大学
摘要： 作为成熟的储能技术,锂离子电池（LIBs）早已被广泛应用于生活中的各个方面。然而,由于锂资源地域分布不均、成本高等原因,未来LIBs的大规模生产和应用将会受到极大限制,而规模储能的快速发展也加剧了这方面压力。钾离子电池（PIBs）是LIBs具有成本效益的替代品之一,具有资源丰富、价格较低和氧化还原电位与锂相似等优点,使得PIBs能够以低成本实现高能量密度。石墨具有良好的电子导电性、稳定的物理和化学性能以及低成本,已被广泛应用于各类电池体系的负极材料。但是,传统石墨负极的能量密度已经非常接近其理论值,无法满足先进储能系统对高能量的需求。此外,石墨材料层间距较小（0.34 nm）,碱金属离子（Li+/K+）在石墨层间脱/嵌引起的体积变形问题也导致了电池循环寿命差的问题。因此,开发容量高、稳定性好的先进负极材料对于开发下一代高比能储能电池体系是至关重要的。基于此,本文通过形态控制和杂原子掺杂策略制备了系列可逆性高、稳定性好和层间距大的石墨类负极材料,并对其储锂/储钾性能与机制进行了研究。主要研究内容和结果如下: （1）以膨胀石墨为原材料,使用高压剪切剥离法和喷雾干燥法制备了多孔石墨烯微球（GS）。GS中的层状纳米片结构和球状多孔结构为离子储存提供了更多的活性位点,并能有效缓解离子嵌入/脱出过程中的体积膨胀。同时,由石墨烯纳米片相互交联构成的三维导电网络赋予了更加迅速的Li+/K+传输速率。受益于以上特点,GS负极材料在LIBs和PIBs中都表现出了良好的电化学性能。作为LIBs负极,GS在100 mAg-1下循环100次后放电比容量仍有380.5 mAhg-1,在2000 mAg-1的高电流密度下循环600次后仍保留了149.0 mAhg-1的比容量。作为PIBs负极,GS在100 mAg-1下循环100次后比容量也有255.1 mAhg-1。 （2）为了改善石墨烯表面性质、扩大层间距,在GS的基础上,通过水热法制备了氮掺杂多孔石墨烯微球（NGS）,其与电解液的浸润性得到明显改善,并且表面层间距扩大至0.41 nm,这利于提高储Li/K容量和加速电化学反应动力学。因此,在LIBs和PIBs中NGS都表现出比GS优异的可逆容量和倍率性能。作为LIBs负极,NGS在100 mAg-1下循环100次后具有428.6 mAhg-1的比容量,在2000 mAg-1下循环600次后比容量仍有274.5 mAhg-1,对比GS提高了84%。作为PIBs负极,其在100 mAg-1下循环100次后容量为295.4 mAhg-1,在500 mAg-1的电流密度下循环400次比容量达到112.1 mAhg-1。 （3）在NGS的基础上,进一步以氟化铵为杂原子源,通过水热法制备了氟氮共掺杂多孔石墨烯微球（FNGS）。表征结果表明通过氟化反应在碳骨架的边缘/缺陷位置形成稳定的C-F键,不仅扩大了石墨层的层间距（0.45 nm）,赋予了碳材料物理化学稳定性,还调节了碳材料的表/界面活性,增强了赝电容过程,实现了更出色的电化学性能。在LIBs中,FNGS负极在100 mAg-1下循环100次后具有592.7mAhg-1的高比容量,在2000 mAg-1的大电流下600次循环后稳定提供了高达402.1 mAhg-1的比容量。在PIBs中,FNGS负极在100 mAg-1下循环100次后仍能提供324.3 mAhg-1的高可逆容量,优于文献已报道的大部分碳基负极材料。并且,在500 mAg-1的大电流下400次循环后容量稳定在172 mAhg-1,表现出优异的循环稳定性和大倍率放电性能。并且,与钾化PTCDA正极组装的全电池在1000mAg-1下也表现出115 mAhg-1的高可逆比容量。