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提高锂储存性能?石墨烯量子点用于锂离子电池负极材料

北极星储能网  来源:Carbontech  作者:Ting  2019/9/6 14:56:04  我要投稿  

北极星储能网讯:锂离子电池(LIBs)具有自放电性能低、寿命长、能量密度高等特点,已成为便携式设备、电动汽车(ev)、应急电源组件等领域的常用储能系统。然而目前最广泛使用的锂离子电池负极材料石墨,受到其低理论容量(372mAh g-1)的限制,不能满足对能量密度有较高需求的电动汽车或混合电动汽车的要求。因此,研究人员付出了相当大的研究精力寻找理想的电极材料以提高锂电池的可逆容量和循环性能。

(来源:微信公众号“Carbontech” ID:DT-Carbontech 作者:Ting)

近年来,过渡金属氧化物(TMO)或硫化物(TMS),如CuOx、CoOx、MnOx、FeOx、NiOx、SnOx、AgInZnS、Bi2S3等,由于其理论容量大(500-1000 mAh g−1)、储量丰富、成本低廉,成为LIBs中下一代电极材料的潜在应用材料。然而,TMOs的固有电导率低、容量衰减严重、循环过程中体积变化大,阻碍了其实际应用。得益于高比表面积,良好的导电性,高流动性和良好的溶剂分散性,石墨烯量子点(GQDs)特别是具有一定功能的GQDs逐渐被应用于LIB的电极材料(例如VO2,MoS2,CuO,Sn,Si,NiO等),并在增强导电性,促进离子传输和改善循环性能方面发挥了积极作用。

近日,上海大学环化学院王勇教授课题组合成了蛋黄-壳结构的Co3O4@CuO微球,然后对羧基官能化石墨烯量子点(Co3O4 @ CuO @ GQDs)进行表面改性,并研究了它们的锂储存性能。相关研究成果以“Graphene quantum dots modification of yolk-shell Co3O4@CuO microspheres for boosted lithium storage performance”为题,发表在《CHEMICAL ENGINEERING JOURNAL》上。

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图1. Co3O4 @ CuO @ GQDs的制备示意图

优势分析:

(1)由金属-有机骨架(MOFs)衍生得到的蛋黄-壳结构的Co3O4@CuO微球具有良好的微观结构和高孔隙率。蛋黄-壳Co3O4@CuO结构的设计是为了适应逐步的锂插入机制(首先在CuO壳中,然后在Co3O4核中)。

(2)Co3O4 @ CuO微球表面装饰的GQDs不仅提供了更大的比表面积、更活跃的位点和更强的导电性,而且还起到缓冲作用,减缓了体积膨胀,改善了离子电导率。

(3)GQDs中的-COOH基团具有良好的亲水性,这对于GQDs与Co3O4@CuO的结合是有益的,并且与Li+具有很强的亲和力。

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图2. a)前三圈循环的CV曲线 b)Co3O4 @ CuO @ GQDs的充电和放电电位曲线 c)Co3O4 @ CuO @ GQDs和原始Co3O4 @ CuO在0.1A g-1下的循环性能对比 d)Co3O4 @ CuO @ GQDs和原始Co3O4 @ CuO的速率性能对比

基于上述结构和组成设计的优点,Co3O4@CuO@GQDs阳极具有更好的循环能力和优越的锂存储性能。具体而言,与没有GQDs的Co3O4 @ CuO微球(在200次循环后,容量严重下降且容量低于414 mAh g(-1))相比,Co3O4 @ CuO @ GQDs阳极初始比容量为816 mAh g(-1)且在0.1A/g下200次循环后的高可逆充电容量为1054mAh g(-1)。

原标题:CHEM ENG J. :石墨烯量子点用于锂离子电池负极材料可提高锂储存性能

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