石墨烯/炭黑杂化材料:新型、高效锂离子电池二元导电剂
发布时间：2021-01-16 20:16
采用CTAB为表面活性剂将氧化石墨烯和炭黑均匀分散,经水热过程将二者组装到一起,进而高温热处理得到石墨烯/炭黑杂化材料。该材料是一种具有独特结构和良好性能的石墨烯/炭黑杂化材料作为锂离子电池二元导电剂。炭黑颗粒均匀分布在石墨烯表面,可防止石墨烯片层团聚并进一步提高电子导电效率。由于炭黑可增加对电解液的吸附,促进电极内部锂离子的传输过程,最终提高锂离子电池的倍率性能。结果表明,使用质量分数5%900℃热处理之后的二元导电剂的LiFePO4,在10C时比容量为73mAh/g,优于使用10%炭黑导电剂时的LiFePO4（10C比容量为62mAh/g）。按照整个电极质量计算,前者的比容量性能比后者提高了近25%,同时在循环性能方面,前者的稳定性也优于后者。
【文章来源】：新型炭材料. 2015,30(02)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
GO，CB，GN/CB-300和GN/CB-900的XＲD谱图
位右移，层间距逐渐变小，说明900℃热处理后官能团进一步脱除。图2为GN/CB-900的SEM和TEM照片。由图2a可以看出，水热自组装法制备的GN/CB-900材料的CB颗粒与石墨烯片层结合，CB颗粒均匀分布于GN片层的边缘和表面，由于CB颗粒的引入，GN片层表面褶皱，片层不易团聚。由图2b可以清楚看到GN/CB-900中的GN片层是透明薄片，表面均匀分布着链状的炭黑颗粒。样品在做TEM之前经过了强超声处理，但仍可以明显看到CB颗粒与GN片层的紧密结合，表明CB颗粒与GN在水热过程中能够形成较强的结合，稳定性高于简单的物理混合。图2GN/CB-900的(a)SEM和(b)TEM照片Fig．2(a)SEMand(b)TEMimagesofGN/CB-900．图3为使用不同导电剂的LiFePO4材料的高倍率性能对比。图3a是使用300℃热处理后的GN/CB杂化材料作为导电剂时LiFePO4倍率性能。可以看出，没有使用导电剂时，LiFePO4容量性能非常低，添加所制二元导电剂后容量性能有明显提升，0．5C时比容量由95mAh/g提高到了153mAh/g。然而随着放电电流持续增加，容量性能迅速降低，5C时已降到60mAh/g以下，10C时部分样品的容量已低于10mAh/g，此时与没有使用导电剂的LiFePO4性能没有区别。这主要是因为GN处理温度较低，大量存在的表面含氧官能团及缺陷结构导致其电导率不够理想。炭黑含量的不同对LiFePO4也有不同的影响，炭黑含量越多，使用二元导电剂的LiFePO4倍率性能越好，并且倍率越高效果越明显:5C倍率下，使用4GN/CB-300、8GN/CB-300、18GN/CB-300的LiFePO4的比容量分别为60mAh/g、50mAh/g及5mAh/g，进一步说明300℃处理的GN导电性较差，LiFePO4电化学性能的提高主要归因于炭黑颗粒的存在。为了进一步提高所得二元导电剂的性能，对GN/CB杂化材料在900℃条件?
太少时，GN量较多，此时过多的GN将会对锂离子的传输过程产生阻碍，电池倍率性能变差;而CB含量太多时，GN含量过少，不能保证较好的协同作用。在本实验条件下，8GN/CB-900表现出了最优的结果，既可以构筑一个有效的导电网络，又能提供快速的离子传输通道。图3b为GN和CB单一导电剂和二元导电剂的性能对比，可以明显看出所制二元导电剂具有良好的性能优势。使用5%GN-900的LiFePO4在5C和10C的放电倍率下容量分别为85和51mAh/g(与商品化电池中使用GN导电剂的倍率性能具有一定的差别，这主要是因为在扣式电池制备过程中电极涂覆厚度较薄，活性物质的面密度显著低于商品化电池)。在所有导电剂中性能下降最快，这说明在该条件下GN导电剂仍会影响锂离子在高电流密度条件下的传输行为，导致电极内部电解液浓度不均匀，降低了LiFePO4材料的性能发挥。5%8GN/CB-900-LFP和10%CB-LFP电极在10C倍率下的比容量分别为:73和62mAh/g，前者比后者的容量性能提高了17．7%。考虑到电极中LiFePO4含量不同(两个电极中粘结剂用量都为8%，故前者LiFePO4为87%，后者为82%)，则按照整个电极质量考虑容量发挥，前者为63．5mAh/g，后者为50．8mAh/g，前者比后者提高了近25%。由图3c和d中使用10%CB和5%8GN/CB-900导电剂的LiFePO4的充放电曲线可以看出，随着倍率提高，虽然两者的电压平台持续降低，但后者放电平台明显高于前者，进一步揭示了二元导电剂的突出性能。图3使用不同导电剂的LiFePO4倍率性能对比:(a)300℃处理的二元导电剂，(b)900℃处理的二元导电剂及石墨烯与炭黑导电剂，(c)容量保持率，(d)使用炭黑和二元导电剂的LiFePO4充放电曲线Fig．3ＲateperformancecomparisonofLiFePO4withdifferentconductiveadditives．(a)B
本文编号：2981460
【文章来源】：新型炭材料. 2015,30(02)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
GO，CB，GN/CB-300和GN/CB-900的XＲD谱图
位右移，层间距逐渐变小，说明900℃热处理后官能团进一步脱除。图2为GN/CB-900的SEM和TEM照片。由图2a可以看出，水热自组装法制备的GN/CB-900材料的CB颗粒与石墨烯片层结合，CB颗粒均匀分布于GN片层的边缘和表面，由于CB颗粒的引入，GN片层表面褶皱，片层不易团聚。由图2b可以清楚看到GN/CB-900中的GN片层是透明薄片，表面均匀分布着链状的炭黑颗粒。样品在做TEM之前经过了强超声处理，但仍可以明显看到CB颗粒与GN片层的紧密结合，表明CB颗粒与GN在水热过程中能够形成较强的结合，稳定性高于简单的物理混合。图2GN/CB-900的(a)SEM和(b)TEM照片Fig．2(a)SEMand(b)TEMimagesofGN/CB-900．图3为使用不同导电剂的LiFePO4材料的高倍率性能对比。图3a是使用300℃热处理后的GN/CB杂化材料作为导电剂时LiFePO4倍率性能。可以看出，没有使用导电剂时，LiFePO4容量性能非常低，添加所制二元导电剂后容量性能有明显提升，0．5C时比容量由95mAh/g提高到了153mAh/g。然而随着放电电流持续增加，容量性能迅速降低，5C时已降到60mAh/g以下，10C时部分样品的容量已低于10mAh/g，此时与没有使用导电剂的LiFePO4性能没有区别。这主要是因为GN处理温度较低，大量存在的表面含氧官能团及缺陷结构导致其电导率不够理想。炭黑含量的不同对LiFePO4也有不同的影响，炭黑含量越多，使用二元导电剂的LiFePO4倍率性能越好，并且倍率越高效果越明显:5C倍率下，使用4GN/CB-300、8GN/CB-300、18GN/CB-300的LiFePO4的比容量分别为60mAh/g、50mAh/g及5mAh/g，进一步说明300℃处理的GN导电性较差，LiFePO4电化学性能的提高主要归因于炭黑颗粒的存在。为了进一步提高所得二元导电剂的性能，对GN/CB杂化材料在900℃条件?
太少时，GN量较多，此时过多的GN将会对锂离子的传输过程产生阻碍，电池倍率性能变差;而CB含量太多时，GN含量过少，不能保证较好的协同作用。在本实验条件下，8GN/CB-900表现出了最优的结果，既可以构筑一个有效的导电网络，又能提供快速的离子传输通道。图3b为GN和CB单一导电剂和二元导电剂的性能对比，可以明显看出所制二元导电剂具有良好的性能优势。使用5%GN-900的LiFePO4在5C和10C的放电倍率下容量分别为85和51mAh/g(与商品化电池中使用GN导电剂的倍率性能具有一定的差别，这主要是因为在扣式电池制备过程中电极涂覆厚度较薄，活性物质的面密度显著低于商品化电池)。在所有导电剂中性能下降最快，这说明在该条件下GN导电剂仍会影响锂离子在高电流密度条件下的传输行为，导致电极内部电解液浓度不均匀，降低了LiFePO4材料的性能发挥。5%8GN/CB-900-LFP和10%CB-LFP电极在10C倍率下的比容量分别为:73和62mAh/g，前者比后者的容量性能提高了17．7%。考虑到电极中LiFePO4含量不同(两个电极中粘结剂用量都为8%，故前者LiFePO4为87%，后者为82%)，则按照整个电极质量考虑容量发挥，前者为63．5mAh/g，后者为50．8mAh/g，前者比后者提高了近25%。由图3c和d中使用10%CB和5%8GN/CB-900导电剂的LiFePO4的充放电曲线可以看出，随着倍率提高，虽然两者的电压平台持续降低，但后者放电平台明显高于前者，进一步揭示了二元导电剂的突出性能。图3使用不同导电剂的LiFePO4倍率性能对比:(a)300℃处理的二元导电剂，(b)900℃处理的二元导电剂及石墨烯与炭黑导电剂，(c)容量保持率，(d)使用炭黑和二元导电剂的LiFePO4充放电曲线Fig．3ＲateperformancecomparisonofLiFePO4withdifferentconductiveadditives．(a)B
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