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gao1986

铜虫 (初入文坛)

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专业: 无机非金属类电介质与电解

[交流] Advanced Materials: 构筑石墨烯基三明治介孔电极结构已有6人参与

原文来自：低维材料
随着移动储能器件的发展，具有高能量密度、长循环寿命和优异安全性能的储能电池备受关注。为实现高的能量密度，电极材料就需要在保证良好的电子、离子传输的同时实现活性物质比例的最大化，而传统研究中采用的复合材料、金属或碳基泡沫等虽然可以为充放电过程中的电子和离子提供顺畅的通路，实现良好的循环和倍率性能，但通常活性物质的质量分数不高，难以满足高能量密度的需求。

Figure 1.Schematic illustration for the fabrication ofthe 3Dsandwich-structured V2O5@graphene@V2O5cathode.

为解决上述问题，中科院仿生功能材料与传感器件研究中心、伊利诺伊大学香槟分校和宾州州立大学的研究人员合作提出了一种由活性物质与石墨烯构成的介孔三明治结构，该方法通过硬模板的方式化学气相沉积（CVD）生长一层石墨烯，并通过两次溶剂热在石墨烯的两侧原位复合V2O5作为活性物质，从而得到V2O5@graphene@V2O5三明治介孔网络结构。

Figure 2. a) SEM image of the electrodeposited Niinverse opal after PS opal template removal. b) SEM image of the graphene-coatedNi inverse opal. Inset in (b) is a high-magnification image. c) Cross-sectionalview SEM image of the graphene@V2O5after Ni scaffoldetching. d) Low- and e) high-magnification cross-sectional view SEM images ofthe V2O5@graphene@V2O5after thesecond V2O5solvothermal growth and subsequent heattreatment. Inset in (d) is illustration of the sandwich structure.The colorizedright half in (e) highlights the sandwich structure (first-growth V2O5(brown),second-growth V2O5after Ni etching (green), and theintermediate graphene layer (dark gap)). f) Raman spectrum of theV2O5@graphene@V2O5structure.

镶嵌在在三明治结构中的石墨烯形成互连的三维导电网络，保证了正极材料良好的电子传导性能；而硬模板法得到的介孔结构则有利于电解液中离子的快速传导，实现了电池充放电过程中优异的倍率特性。另外，在该复合结构中石墨烯的含量仅3.6%，有效地实现了电极材料中活性物质比例的最大化。

Figure 3. a) Galvanostatic charge–discharge curves oftheV2O5@graphene@V2O5cathodes at 5C. b) Cycling capacity and Coulombic efficiency over 2000 cycles. Allcapacities are on a full electrode basis. c) Capacity and Coulombic efficiencyat varying C-rates. The electrode waspre-cycled 20 times at 1 C before startingthe measurements. d) CV curve of the V2O5@graphene@V2O5cathodeover the potential range of 2–4 V versus Li/Li+at a scan rate of 0.1 mV s–1.e) The 1st, 2nd, 10th,100th, and 1000th discharge–charge curves (at a rate of 5 C) of a 100 μm thick V2O5@graphene@V2O5cathodefabricated using a commercial Ni scaffold as sacrificial template. The inset in(e) shows the cross-sectional SEM image of the thick V2O5@graphene@V2O5cathode.

将该V2O5@graphene@V2O5材料组装成锂离子电池进行电化学性能表征显示，三明治结构和介孔网络特点赋予了其较高的比容量、稳定的长循环特性和良好的倍率表现。基于电极整体质量计算，在5 C倍率下循环200圈后比容量为230mAh g-1，2000圈后仍有203mAh g-1，库伦效率维持在~99.7%。除此之外，研究人员采用类似方法制备了graphene@Si@graphene结构锂离子电池负极材料，同样表现出优异的电化学性能。该石墨烯基三明治纳米结构的设计思想有效地解决了高活性物质含量和优异电化学性能不兼容的矛盾，在其他储能体系的电极设计中同样有借鉴意义。

文章来源于AdvancedMaterials 2016
（DOI:10.1002/adma.201600829）

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