三维超结构石墨烯基复合材料的可控合成与嵌锂性能研究

The purposes of this project are to controllably assemble three-dimensional graphene-based composites with hyperstructure using graphene oxide as the basic unit and to obtain anode materials of Li-ion battery with ultrahigh performance by optimal structure designing. The research of this project mainly focuses on the following three aspects. First, on the basis of the assembly phenomena of graphene oxide, controllable assembly and functionalization methods are investigated for the preparation of three-dimensional graphene-based structures and then the composite with hyperstructure will be prepared by using above structure as template. Second, a one-step assembly strategy and the following structure control for the assembly of three-dimensional graphene-based composite with hyperstructure will be developed. Third, the Li-ion reaction and transportation mechanism will be explored to provide guidance for the structure optimization of above composites to obtain anode materials with ultrahigh performance. The researches of this project will promote the theoretical studies of controllable assembly of graphene-based structure and accelerate the real application of graphene-based materials.

本项目以氧化石墨烯为基元，自组装制备三维超结构石墨烯基复合材料，通过构筑多层次结构，获得具有超高性能的锂离子电池负极材料。主要研究内容包括理解氧化石墨烯片层的自组装机制，发展结构可控的三维结构石墨烯材料的组装及功能调制方法，研究以其为模板与非碳组分的复合制备三维超结构石墨烯基复合材料，调整微观结构和复合方法，调控其性能；调控氧化石墨烯的自组装行为，发展三维超结构石墨烯基复合材料的一步自组装及结构调控方法；深入研究锂离子的反应与输运机制，发展超高性能的三维超结构石墨烯基复合负极材料制备及结构调控工艺。本项目的实施将揭示三维石墨烯超结构的组装机理及结构调控机制，获得具有优异电化学性能的三维石墨烯复合材料制备方法，对石墨烯基材料的设计、可控组装和应用具有重要的指导意义。因此，本项目不仅具有重要的理论研究价值，还具有较大的实际应用价值。

石墨烯作为一种新型二维碳材料，具有最高的碳原子利用率，是一种理想的电极材料。然而在锂离子电池体系中，石墨烯大的比表面积虽然提供了大量的储锂活性位，但是其本身存在循环性能差、不可逆容量较高以及首次充放电效率低等问题，而且片层的无序排列也阻碍了离子传输阻力。利用石墨烯大的比表面积、良好的柔性和高的导电性解决非碳材料的实用化问题将是石墨烯在未来锂离子电池中的主要应用方向。针对以上问题，本项目利用氧化石墨烯的液相三维组装特性以及二维结构导向特性，构筑具有三维结构的石墨烯基复合材料和电极，实现了石墨烯与其他碳和非碳的功能和结构的协同，获得了高性能的离子电池储能材料和电极。主要研究内容包括氧化石墨烯的液相组装、三维结构石墨烯材料的自组装、结构控制及功能调制、以石墨烯为导向模板的三维“超结构”电极的可控制备及电化学储锂行为研究。阐明了氧化石墨烯的表面化学对其液相组装行为的影响和组装机制，首次提出相分离是引发氧化石墨烯自组装的关键，并通过利用调控混合溶剂体系中水的含量，实现了对三维石墨烯材料微观结构的精确调控；提出了氧化石墨烯的二维导向模板和石墨烯组装体的三维骨架模板作用，利用氧化石墨烯或功能化石墨烯表面与非碳材料前驱体（离子等）强的相互作用，实现了对非碳材料的结构调控；利用石墨烯二维导向作用和柔性特征，将其作为电极骨架，提出了类“钢筋混凝土”结构的电极设计思路，有效缓解了非碳负极材料的体积膨胀问题，大大提高了循环稳定性；发展了一系列组装方法，包括水热法、液相自组装、静电喷涂、静电纺丝、球磨法，构筑具有三维结构的石墨烯/非碳（Si、Ni(OH)2、Sn和Fe3O4）复合材料，利用多层次碳骨架提高非碳组分的稳定性和电极导电性，实现了复合材料电化学性能的优化和提升。上述研究进展有助于理解和揭示石墨烯材料的自组装行为和机理，获得具有高效储能特性的石墨烯基复合材料，推动石墨烯基材料的实用化，具有重要的理论和实际应用价值。