还原氧化石墨烯改性少层剥离石墨增强石墨基钾离子电池负极稳定性

王键 尹波 高天 王星懿 李望 洪兴星 汪竹青 何海勇

引用本文: 王键, 尹波, 高天, 王星懿, 李望, 洪兴星, 汪竹青, 何海勇. 还原氧化石墨烯改性少层剥离石墨增强石墨基钾离子电池负极稳定性[J]. 物理化学学报, 2022, 38(2): 2012088-0. doi: 10.3866/PKU.WHXB202012088 shu
Citation:  Jian Wang, Bo Yin, Tian Gao, Xingyi Wang, Wang Li, Xingxing Hong, Zhuqing Wang, Haiyong He. Reduced Graphene Oxide Modified Few-Layer Exfoliated Graphite to Enhance the Stability of the Negative Electrode of a Graphite-Based Potassium Ion Battery[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2022, 38(2): 2012088-0. doi: 10.3866/PKU.WHXB202012088 shu

还原氧化石墨烯改性少层剥离石墨增强石墨基钾离子电池负极稳定性

    通讯作者: 汪竹青, wangzhq@aqnu.edu.cn; 何海勇, hehaiyong@nimte.ac.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金 51872304

    宁波市科技创新2025重大专项 2018B10024

摘要: 钾在石墨中嵌入电位较低,因此石墨负极可使钾离子电池具有较高的能量密度,是一种理想的钾离子电池负极材料。然而,石墨嵌钾后的体积膨胀率高达60%,导致钾离子电池的循环稳定性较差。此外,钾嵌入石墨层间的动力学过程缓慢,制约了钾离子电池倍率性能的提升。在本工作中,我们用还原氧化石墨烯(rGO)包覆剥离石墨(EG),得到一种具有协同效应的层状复合材料。一方面,以少层的EG代替石墨可以减少由于钾的嵌入/脱嵌所引起的体积膨胀和内部应力;另一方面,外层rGO可以避免EG的堆叠,这有利于加速动力学过程并在钾化/去钾化过程中稳定结构。当复合材料所用EG和GO的质量比为1 : 1时,其性能达到最优,在50 mA·g-1的电流密度下能够提供443 mAh·g-1的比容量;在电流密度为800 mA·g-1时,比容量为190 mAh·g-1,保持率为42.9%。相同测试条件下,纯EG和rGO的容量保持率仅为14.2%和27.2%。测试结果说明EG-1/rGO-1复合材料在比容量和倍率性能两个方面得到了提升。

English

    1. [1]

      裴哲义, 范高锋, 秦晓辉. 储能科学与技术, 2020, 9 (5), 1562. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0252Pei, Z.; Fan, G.; Qin, X. Energy Storage Sci. Technol. 2020, 9 (5), 1562. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0252

    2. [2]

      Liu, S. J.; Zhang, C.; Sun, Y. D.; Chen, Q.; He, L. F.; Zhang, K.; Zhang, J.; Liu, B.; Chen, L. F. Coord. Chem. Rev. 2020, 413, 213266. doi: 10.1016/j.ccr.2020.213266

    3. [3]

      Fedotov, S. S.; Khasanova, N. R.; Samarin, A. S.; Drozhzhin, O. A.; Batuk, D.; Karakulina, O. M.; Hadermann, J.; Abakumov, A. M.; Antipov, E. V. Chem. Mater. 2016, 28, 411. doi: 10.1021/acs.chemmater.5b04065

    4. [4]

      Eftekhari, A.; Jian, Z.; Ji, X. ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 4404. doi: 10.1021/acsami.6b07989

    5. [5]

      刘燕晨, 黄斌, 邵奕嘉, 沈牧原, 杜丽, 廖世军. 化学进展, 2019, 31 (9), 1329. doi: 10.7536/PC190212.Liu, Y. C.; Huang, B.; Shao, Y. J.; Shen, M. Y.; Du, L.; Liao, S. J. Prog. Chem. 2019, 31 (9), 1329. doi: 10.7536/PC190212

    6. [6]

      Huang, H.; Wang, J.; Yang, X.; Hu, R.; Liu, J.; Zhang, L.; Zhu, M. Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59 (34), 14504. doi: 10.1002/anie.202004193

    7. [7]

      Wang, S.; Xiong, P.; Guo, X.; Zhang, J.; Gao, X.; Zhang, F.; Tang, X.; Notten, P. H. L.; Wang, G. Adv. Funct. Mater. 2020, 30 (27), 2001588. doi: 10.1002/adfm.202001588

    8. [8]

      Zhao, R.; Di, H.; Hui, X.; Zhao, D.; Wang, R.; Wang, C.; Yin, L. Energy Environ. Sci. 2020, 13 (1), 246. doi: 10.1039/c9ee03250a

    9. [9]

      Qi, S. H.; Deng, J. W.; Zhang, W. C.; Feng, Y. Z.; Ma, J. M. Rare Met. 2020, 39 (9), 970. doi: 10.1007/s12598-020-01454-w

    10. [10]

      Wei, C.; Tao, Y.; Fei, H.; An, Y.; Tian, Y.; Feng, J.; Qian, Y. Energy Storage Mater. 2020, 30, 206. doi: 10.1016/j.ensm.2020.05.018

    11. [11]

      Wang, W.; Ji, B.; Yao, W.; Zhang, X.; Zheng, Y.; Zhou, X.; Kidkhunthod, P.; He, H.; Tang, Y. Sci. China Mater. 2020, 64, 1047. doi: 10.1007/s40843-020-1512-0

    12. [12]

      Zhang, H.; Luo, C.; He, H.; Wu, H. H.; Zhang, L.; Zhang, Q.; Wang, H.; Wang, M. S. Nanoscale Horiz. 2020, 5 (5), 895. doi: 10.1039/d0nh00018c

    13. [13]

      Zhang, Z.; Jia, B.; Liu, L.; Zhao, Y.; Wu, H.; Qin, M.; Han, K.; Wang, W. A.; Xi, K.; Zhang, L.; et al. ACS Nano 2019, 13 (10), 11363. doi: 10.1021/acsnano.9b04728

    14. [14]

      Ji, B.; Yao, W.; Zheng, Y.; Kidkhunthod, P.; Zhou, X.; Tunmee, S.; Sattayaporn, S.; Nat. Commun. 2020, 11 (1), 1225. doi: 10.1038/s41467-020-15044-y

    15. [15]

      Yu, A.; Pan, Q.; Zhang, M.; Xie, D.; Tang, Y. Adv. Funct. Mater. 2020, 30 (24), 2001440. doi: 10.1002/adfm.202001440

    16. [16]

      Kim, C.; Yang, K. S.; Kojima, M.; Yoshida, K.; Kim, Y. J.; Kim, Y. A.; Endo, M. Adv. Funct. Mater. 2006, 16 (18), 2393. doi: 10.1002/adfm.200500911

    17. [17]

      Chen, J.; Cheng, Y.; Zhang, Q.; Luo, C.; Li, H. Y.; Wu, Y.; Zhang, H.; Wang, X.; Liu, H.; He, X.; et al. Adv. Funct Mater. 2021, 31 (1), 2007158. doi: 10.1002/adfm.202007158

    18. [18]

      Gabaudan, V.; Monconduit, L.; Stievano, L.; Berthelot, R. Front. Energy Res. 2019, 7, 46. doi: 10.3389/fenrg.2019.00046

    19. [19]

      Zhang, C.; Zhao, H.; Lei, Y. Energy Environ. Mater. 2020, 3 (2), 105. doi: 10.1002/eem2.12059

    20. [20]

      Wu, Y.; Zhao, H.; Wu, Z.; Yue, L.; Liang, J.; Liu, Q.; Luo, Y.; Gao, S.; Lu, S.; Chen, G.; et al. Energy Storage Mater. 2021, 34, 483. doi: 10.1016/j.ensm.2020.10.015

    21. [21]

      Jian, Z.; Luo, W.; Ji, X. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137 (36), 11566. doi: 10.1021/jacs.5b06809

    22. [22]

      Qin, L.; Xiao, N.; Zheng, J.; Lei, Y.; Zhai, D.; Wu, Y. Adv. Energy Mater. 2019, 9 (44), 1902618. doi: 10.1002/aenm.201902618

    23. [23]

      Novoselov, K. S.; Geim, A. K.; Morozov, S. V.; Jiang, D.; Zhang, Y.; Dubonos, S. V.; Grigorieva, I. V.; Firsov, A. A. Science 2004, 306 (5696), 666. doi: 10.1126/science.1102896

    24. [24]

      刘晓婷, 张金灿, 陈恒, 刘忠范. 物理化学学报, 2021, 37, 2012047. doi: 10.3866/PKU.WHXB202012047Liu, X. T.; Zhang, J. C.; Chen, H.; Liu, Z. F. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37, 2012047. doi: 10.3866/PKU.WHXB202012047

    25. [25]

      Chung, D. D. L. J. Mater. Sci. 2016, 51 (1), 544. doi: 10.1007/s10853-015-9284-6

    26. [26]

      Doughty, D. H.; Butler, P. C.; Akhil, A. A.; Clark, N. H.; Boyes, J. D. Electrochem. Soc. Interface 2010, 19 (3), 49. doi: 10.1149/2.f05103if

    27. [27]

      Hong, W.; Zhang, Y.; Yang, L.; Tian, Y.; Ge, P.; Hu, J.; Wei, W.; Zou, G.; Hou, H.; Ji, X. Nano Energy 2019, 65, 104038. doi: 10.1016/j.nanoen.2019.104038

    28. [28]

      Yang, W.; Zhou, J.; Wang, S.; Zhang, W.; Wang, Z.; Lv, F.; Wang, K.; Sun, Q.; Guo, S. Energy Environ. Sci. 2019, 12 (5), 1605. doi: 10.1039/c9ee00536f

    29. [29]

      Chou, S. L.; Wang, J. Z.; Choucair, M.; Liu, H. K.; Stride, J. A.; Dou, S. X. Electrochem. Commun. 2010, 12 (2), 303. doi: 10.1016/j.elecom.2009.12.024

    30. [30]

      Zhou, X.; Yin, Y. X.; Wan, L. J.; Guo, Y. G. Chem. Commun. 2012, 48 (16), 2198. doi: 10.1039/c2cc17061b

    31. [31]

      Zhang, E.; Jia, X.; Wang, B.; Wang, J.; Yu, X.; Lu, B. Adv. Sci. 2020, 7 (15), 2000470. doi: 10.1002/advs.202000470

    32. [32]

      Wang, Y.; Gao, X.; Li, L.; Wang, M.; Shui, J.; Xu, M. Nano Energy 2020, 67, 104248. doi: 10.1016/j.nanoen.2019.104248

    33. [33]

      Nawar, A. M.; Yahia, I. S.; Al-Kotb, M. S. J. Mater. Sci. -Mater. Electron. 2020, 31 (15), 12127. doi: 10.1007/s10854-020-03759-z

    34. [34]

      Jian, Z.; Hwang, S.; Li, Z.; Hernandez, A. S.; Wang, X.; Xing, Z.; Su, D.; Ji, X. Adv. Funct. Mater. 2017, 27 (26), 1700324. doi: 10.1002/adfm.201700324

    35. [35]

      唐致远, 薛建军, 刘春燕, 庄新国. 物理化学学报, 2001, 17 (5), 385. doi: 10.3866/PKU.WHXB20010501Tang, Z. Y.; Xue, J. J.; Liu, C. Y.; Zhuang, X. G. Acta Phys. -Chim. Sin. 2001, 17 (5), 38. doi: 10.3866/PKU.WHXB20010501

    36. [36]

      Wan, J.; Chen, Q. Q.; Li, W.; Pan, L. H.; Zhao, Z. H.; Yu, D. D.; Tang, Z. H.; He, H. Y. Electrochim. Acta 2020, 345, 136238. doi: 10.1016/j.electacta.2020.136238

    37. [37]

      Chen, L. F.; Hou, C. C.; Zou, L.; Kitta, M.; Xu, Q. Sci. Bull. 2021, 66 (2), 170. doi: 10.1016/j.scib.2020.06.022

    38. [38]

      Chen, D. M. Chin. Phys. Soc. 2010, 59 (9), 6399. doi: 10.7498/aps.59.6399

    39. [39]

      Zhang, K. L; Li, W.; Cai, W. L.; Chen, L. F.; Wang, D.; Chen, Y. H.; Pan, H. L.; Wang, L. B.; Qian, Y. T. Inorg. Chem. Front. 2019, 6 (4), 955. doi: 10.1039/c9qi00052f

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  6
  • 文章访问数:  139
  • HTML全文浏览量:  21
文章相关
  • 发布日期:  2022-02-15
  • 收稿日期:  2020-12-31
  • 接受日期:  2021-01-26
  • 修回日期:  2021-01-22
  • 网络出版日期:  2021-02-01
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章