(中國粉體技術網/班建偉)氮摻雜石墨烯被認為是有應用前景的鋰離子電池電極材料,理論和實驗研究表明,氮摻雜石墨烯的儲鋰性能很大程度上依賴于氮摻雜量。然而,大量的氮原子摻雜到晶格里會降低其結構穩定性,故電池容量等電化學性能的進一步提高和改善受到限制。
近日,中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家實驗室(籌)博士生鄭方才和材料系碩士生楊陽通過理論模擬計算,提出了邊緣氮摻雜和孔洞額外儲鋰的思想,并設計出了一種能實現邊緣氮摻雜,避免邊緣被羧基、羥基修飾的氮摻雜類石墨烯粒子的制備工藝,制備了高氮摻雜的多孔類石墨烯粒子。作為鋰離子電池電極材料表現出優異的儲鋰性能。該研究成果發表在近期出版的《自然•通訊》上。
利用高含氮配合物ZIF-8為前驅物在惰性氣氛中焙燒一步法制備了高氮摻雜的類石墨烯粒子。這種方法能有效地避免類石墨烯粒子邊緣易生成羥基、羧基、環氧基等官能團,有利于氮原子在石墨烯晶格內及邊緣摻雜,提高摻雜量,如800℃制備的樣品其氮含量達17.72 wt%。此外,焙燒后所形成的類石墨烯粒子聚集體內含大量孔洞,其內表面富含吡啶、吡咯型氮摻雜原子,理論模擬計算表明,這種孔洞可以提供額外的儲鋰容量。另外,這種特殊的孔道結構,有利于充放電循環過程中鋰離子和電解質的傳輸,大大提高了鋰離子的遷移速率。這些結構優點使所制備的氮摻雜類石墨烯粒子的電化學性能得到了較大的提高,容量和循環穩定性都優于目前文獻報道的氮摻雜碳材料,有潛在的應用前景。
該研究得到了國家自然科學基金委和中科院等有關項目的資助。
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