基于石墨的电化学剥离制备薄片碳材料及其储锂性能研究

Novel carbon sheets, including graphene nanosheets and submicron graphitic sheets, are very promising high-performance anode materials for lithium-ion batteries, due to their high specific surface area and superior electronic conductivity. But now their preparation is quite complicated and of high cost. The thickness of resulting carbon sheets is not controllable and designable. More importantly, structural defects derived in the preparation process usually result in the reduced performance. Here in this research, novel carbon sheets with the thickness varing from monolayer graphene to submicron size will be prepared based on the electrochemical exfoliation of graphite. The effects of electrolyte components, current density, voltage cutoff and temperature on the electrochemical reactions will be investigated. Based on these points mentioned above, designable carbon sheets with few structural defects can be prepared in scale. Furthermore, the carbon sheets will be used as anode materials for the lithium-ion batteries, and the mechanism of lithium storage will also be explored. These results will be helpful to illuminate the nature of the electrochemical exfoliation of graphite, prepare the high-quality carbon sheets with few defects in a low cost way and build high-performance lithium-ion batteries.

新型薄片碳材料（石墨烯纳米片和亚微米石墨薄片）具有较高的比表面积和电子电导率，是一种潜在的高性能锂离子电池负极材料。但目前以石墨烯为代表的薄片碳材料制备繁琐，石墨烯结构被严重破坏，其厚度（石墨烯层数）不易控制，得到的薄片碳材料品质不高，往往难以获得理想的性能。本研究将通过石墨的电化学剥离实现从单层石墨烯到亚微米尺度可调的高质量薄片碳材料的可控制备，明确电解液组成、反应电流、电压和温度等参数对产物形貌（薄片的厚度和面盘尺寸等）的影响，揭示石墨电化学剥离的反应机制，并探索其宏量制备工艺，进一步考察该新型薄片碳材料作为锂离子电池负极材料的电化学特征，探索其形貌及表面化学结构与电化学性能的关系及其储锂机制。本项目的研究成果将有助于揭示石墨电化学剥离的一般规律，实现高品质薄片碳材料的低成本制备，构筑高性能的锂离子电池器件。

石墨烯具有较高的比表面积和电子电导率，在锂离子电池领域具有广阔的应用前景。但目前石墨烯薄片的制备繁琐、生产成本较高，且通常的制备方法对其结构破坏严重、导致其性能难以发挥；而且高品质石墨烯的宏亮制备被寄予厚望。本研究将通过石墨的电化学剥离来制备石墨烯为代表的薄片碳材料，基于理论计算与实验相结合，明确了电解液组成、反应电流、电压和温度等参数对产物形态（厚度和面盘尺寸等）的影响，揭示石墨电化学剥离的反应机制，实现高品质石墨烯的低损伤、宏量、可控制备，并进一步考察这些高质量的薄片碳材料作为锂离子电池负极材料的电化学性能，探索其结构（表面特征、厚度和面盘尺寸）与性能的关系及其储锂机制。本项目发展了一种“无电”电化学剥离方法用于制备高品质石墨烯，并对其结构、电化学性能和在电化学器件中的应用进行了系统地深入研究，在1M LiPF6/PC电解液中加入石墨和锂粉，形成类似于短路的电化学环境，通过溶剂化的锂离子自发插入石墨层间并发生还原分解，最终剥离石墨得到高品质石墨烯薄片。这种方法可以有效克服剥离过程中剥离产物脱离电极的问题，反应具有更好的可控性，且该方法更容易实现石墨烯薄片材料的宏量制备。制备的石墨烯具有面盘尺寸大、缺陷少和导电性好的优点，将其作为导电剂应用与钛酸锂负极中获得了高可逆容量、高倍率和低极化的性能；将其与硫复合制备出硫/石墨烯复合材料，表现出优异的倍率性能和循环稳定性。上述结果表明，该电化学剥离制备的石墨烯在锂离子电池为代表的电化学器件中具有广阔的应用前景。本项目的研究成果将有利于揭示石墨电化学剥离的一般规律，实现薄片碳材料的低损伤可控制备，并明确其结构与电化学性能的构效关系。