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              • 论文
              主办单位:煤炭科学研究总院出版传媒集团、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

              西科大在煤基石墨烯/Fe2O3复合材料作锂离子电池负极研究中获突破

              2021-06-07

                石墨烯材料独特的二维片层结构、高的理论比表面积以及快速的电子传输特性,使其在电化学储能领域被广泛应用。煤炭碳质量分数高达50%~98%,且随着变质程度加深,其排列结构趋于有序,这种独特的结构特征使煤炭在开发石墨烯基功能材料方面展现出巨大的潜在优势。

                

                近日,西安科技大学张亚婷教授团队以宁夏太西无烟煤为原料,成功制备了煤基氧化石墨烯(CGO),并在此基础上进一步构建了煤基石墨烯/三氧化二铁(CG/Fe2O3)自支撑复合材料,将该材料直接作为锂离子电池负极,展现出了良好的循环和倍率性能。

                

                研究详细介绍了煤基氧化石墨烯、Fe2O3自支撑材料以及CG / Fe2O3自支撑复合材料的制备过程。


                (1)煤基氧化石墨烯的制备。将太西无烟煤粉碎、研磨,筛分得到粒径小于74 μm的煤粉,经酸脱灰后,在中频感应石墨化炉中2 500 ℃下高温处理,得到石墨化炭。以石墨化炭为前驱体,采用改进的Hummers法制备煤基氧化石墨烯:将0.75 g硝酸钠溶于34 mL浓硫酸中,加入1.0 g石墨化炭,冰水浴中磁力搅拌20 min。然后将5.0 g高锰酸钾,少量多次加入混合溶液中,搅拌30 min后,将水浴温度升至35 ℃,继续反应2 h。随后转移至98 ℃油浴锅中,缓慢加入50 mL去离子水,搅拌反应20 min。最后,加入5 mL 30%的双氧水,待反应完全后,将混合溶液趁热过滤,依次用质量分数为5%的稀盐酸和去离子水洗涤,直至滤液呈中性。所得滤饼产物分散于去离子水中,经过超声、离心剥离处理,标定质量浓度,即得CGO溶液。


                (2)Fe2O3自支撑材料的制备。将0.7 g草酸铵和0.45 g六水合氯化铁溶解于50 mL DMF与H2O混合溶液中,得到的绿色透明溶液作为电解液。然后,以泡沫镍为工作电极,铂片为对电极,在7.8 mA/cm2电流密度下,恒电流电沉积反应30 min。随后,将工作电极干燥,在空气气氛中500 ℃煅烧2 h,得到Fe2O3自支撑材料。调节DMF与H2O体积比为0∶1,1∶1,2∶1,3∶1,制备得到的Fe2O3自支撑材料分别记作Fe2O3-0,Fe2O3-1,Fe2O3-2,Fe2O3-3。


                (3)CG/Fe2O3自支撑复合材料的制备。以Fe2O3-2为工作电极,铂片为对电极,CGO溶液为电解液,在6 V电压下,恒电压电沉积反应10 min。随后,将工作电极干燥,即可得到自支撑CG/Fe2O3复合材料。电解液CGO质量浓度为0.1,0.3,0.5 mg/mL时制备得到CG/Fe2O3复合材料记作CG/Fe2O3-1,CG/Fe2O3-2和CG/Fe2O3-3。

                

                研究人员利用场发射扫描电子显微镜(FESEM)、X 射线衍射仪(XRD)、拉曼光谱(Raman Spectra)等手段对产物的形貌结构和物相组成进行了表征。


              结果表明,DMF 与H2O 的体积比为1:1时,所制备的Fe2O3 自支撑材料呈鹿角状结构;CGO 的质量浓度为0.1mg/ mL 时,所制备的CG/ Fe2O3 -1 复合材料呈现分级多孔自支撑结构。将CG/ Fe2O3 -1 自支撑复合材料直接作为锂离子电池负极,在1.0A/ g 大电流密度下,具,1156mA·h/ g 的高可逆容量,容量保持率达88. 9%;当电流密度提升至5.0A/ g 时,容量仍可保持,1074mA·h/ g 左右,展现出优异的倍率性能。


              电荷储存机理分析表明,CG/ Fe2O3 -1 复合电极的电容主要源于电池充放电过程中CG 产生的双电层电容以及Fe2O3 氧化还原反应产生的赝电容贡献。这种出色的储锂性能归因于分级自支撑负极的宏观设计,其赋予CG/ Fe2O3 -1 更加稳定的空间结构和通畅的Li+ 传输通道,能够有效改善Fe2O3 充放电过程中的体积变化,加速锂化/ 脱锂动力学。

                

                这项研究得到了国家自然科学基金-山西煤基低碳联合基金项目、陕西省创新能力支撑计划资助项目、陕西省自然科学基金-陕煤联合基金资助项目的资金支持。成果以《煤基石墨烯/ Fe2O3自支撑电极的制备及其储锂性能》为题发表于《煤炭学报》2021年第4期。


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              CG/ Fe2O3 复合材料的电化学储锂性能


                责任编辑:宫在芹
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