高弹性石墨烯复合泡沫用于大容量可压缩锂离子电池负极材料的性能研究

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第四主族元素(Si,Ge,Sn)和他们的氧化物(SiO2,Ge O2,Sn O2)由于具有较高的理论储锂容量而成为研究较为广泛的锂离子电池负极材料,但是由于在嵌锂和脱锂的过程中,这些材料会发生巨大的体积膨胀,进而导致电极材料结构破裂,最终使得电池性能严重衰减。石墨烯由于具有较快的电子迁移速率,较大的比表面积,优异的机械性能和化学稳定性,常被作为理想的基体材料负载锂离子电池活性物质,从而提高电池的电化学性能。本文利用简单的溶液处理的方法,制备得到均匀负载二氧化锗纳米颗粒(Ge O2-NP)的高弹性多孔石墨烯泡沫。当调节Ge O2-NP在复合物中的所占质量比为40%时,所得到的石墨烯复合泡沫(Ge O2-NPs@GFM-2)具有较好的机械性能,在14k Pa的压强下达到最大形变量为90%,且能够循环压缩200次,结构和形貌没有破坏。该复合材料作为锂离子电池负极材料时其可逆质量容量能够达到900 m Ah g-1,并循环至少350圈。基于它优异的机械性能和电化学性能,这种复合石墨烯泡沫可直接作为可压缩电极,和锂片配对组装成可压缩锂离子电池,压缩电池的面积容量能够达到5.76 m Ah cm-2,高于之前文献报道的柔性锂离子电池的值,质量能量密度达到224.7Wh kg-1。我们进一步通过用纳米硅颗粒(Si-NP)代替Ge O2-NP制备得到可压缩的Si-NPs@GFM负极材料,证明了这种方法的普适性,说明了这种高弹性石墨烯泡沫是一种普适且有效的高容量锂离子电池负极材料的缓冲结构。
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