石墨烯材料的储锂机制

高效稳定的二次电池储能技术是具有战略意义的关键支撑技术，锂离子电池是能量密度最高的绿色电池，由于石墨烯高的导电、导热效应与高容量优势，为锂离子电池的发展提供了新的机遇，但石墨烯自身储锂特性研究的缺乏，阻碍了石墨烯及其复合材料在高性能储能器件中的应用。本项目利用电化学测试及纳米材料原位表征和分析技术，重点研究石墨烯的电化学储锂机制，主要包括(1)石墨烯结构参数及表面特性与其电化学性能之间的关系；(2)石墨烯与电解液之间的电化学界面过程。通过上述研究，确定影响石墨烯电化学性能的关键结构参数、石墨烯充放电过程中的结构变化和扩散动力学及阐明石墨烯材料充放电过程中表面、界面上发生的复杂电化学反应，并分析其规律。为高能量密度、高功率密度、长寿命锂离子电池用石墨烯负极材料或石墨烯复合电极材料的设计与发展奠定科学基础。

石墨烯具有优异的性能，但其自身储锂特性研究的缺乏，阻碍了石墨烯在高性能储能器件中的应用。本项目研究石墨烯的电化学储锂机制，开展了以下工作：（1）石墨烯结构参数与其电化学性能之间的关系；（2）石墨烯在充放电过程中的结构演化及锂离子扩散机制；（3）石墨烯的电化学界面过程；（4）合成了TiO2/石墨烯复合材料；（5）探索了石墨烯在柔性储能领域的应用。.石墨烯的嵌锂电位一般在0.01～2.0V之间。本项目对石墨烯在整个电解液可用电位窗口（0.01～4.5V vs Li/Li+）的电化学性能进行了测试。同时对石墨烯高电位下（2.5～4.5V）的嵌锂行为进行了研究。结果表明石墨烯具有很高的储锂容量，最高可以达到360.4 mAh/g。石墨烯正极也具有优异的循环性能，充放电100次后，容量几乎不发生衰减。同时阐明了环氧基团对于高容量储锂性能的重要作用。以上结果为可用于发展石墨烯复合高容量及高功率锂离子电池正极材料。本项目同时研究了石墨烯材料的结构以及化学性质对高电位区间石墨烯电化学性能的影响；发现石墨烯会降低电解液的氧化电位，电解液的氧化主要来自于中大孔的表面，石墨烯材料的孔结构对电极在高电位区间的稳定性有着决定性的影响；石墨结构在高稳定性的电解液体系下具有足够的稳定性，阴离子脱嵌石墨结构的反应是高度可逆的；降低石墨烯材料的氧化官能团含量可以提高稳定性。.石墨烯充放电过程中形成的SEI膜限制了倍率特性和容量的提高。本项目采用LiF纳米颗粒对石墨烯进行表面改性。LiF添加使得Li离子的脱嵌更加容易。在25A/g的大电流充放电情况下，仍然具有180mAh/g的比容量。经70次循环后，容量几乎不发生衰减。.本项目采用抽滤法制备了石墨烯柔性电极。活性材料层渗入石墨烯薄膜之中，形成三维的连续界面。本工作也组装了LFP//LTO柔性全电池，并测试了其电化学性能和力学特性，这为石墨烯基柔性全电池的发展提供了新的思路。TiO2是一种具有较高充放电比容量的新型锂离子电池负极材料，但其低的电子电导率，限制了容量的发挥。在本项目中，采用湿化学法，在石墨烯的表面沉积直径小于20 nm的锐钛矿TiO2纳米颗粒。其比容量大约为182mAh/g，在10C循环200次后，容量几乎没有衰减。.通过上述石墨烯储锂机制及其复合材料的研究，为石墨烯负极材料或石墨烯复合电极材料的设计与发展奠定了重要的科学基础。