環(huán)保型碳基陽極由于易于獲取、導(dǎo)電性高、存儲(chǔ)容量大，在鋰離子電池中作為負(fù)極材料極具吸引力。然而，目前文獻(xiàn)報(bào)道的碳陽極容量低，循環(huán)穩(wěn)定性差，不能滿足當(dāng)前對(duì)高能量密度材料日益增長的需求。采用ZIF-67和ZIF-8作為自我犧牲模板，研制了高氮摻雜可膨脹碳基陽極。與純碳陽極相比,如氧化石墨烯和碳納米管,體積小的可擴(kuò)展的氮摻雜碳納米管修飾(NC-GO)和氮摻雜的碳納米管(NCCNTs)陽極開發(fā)的這項(xiàng)工作表現(xiàn)出逐漸增加的可逆比容量,以及以及790和800 mA h g
−1的高容量，, 即使在100 mA h g
−1的情況下，500次循環(huán)后仍能持續(xù)。此外，該陽極具有超長的循環(huán)壽命，當(dāng)NC-GO循環(huán)超過7000次時(shí)，其容量損耗率極低，當(dāng)NC-CNTs循環(huán)超過10000次時(shí)，其容量損耗率為0.0042%，優(yōu)于現(xiàn)有文獻(xiàn)。本工作為下一代可充電儲(chǔ)能系統(tǒng)中使用的高容量超長循環(huán)壽命碳基陽極的發(fā)展提供了新的愿景和方向。
圖1 NC-GO和NC-CNTs的合成過程示意圖。
圖2 (a)氧化石墨烯，(b)CNTs， (c) NC-GO和(d) NC-CNTs的SEM圖像。(e) ZIFs碳化后放大的SEM圖像。(f) NC-GO和(g) NC-CNTs的TEM圖像。(h)導(dǎo)出的氮摻雜小尺寸CNTs的放大視圖和(i)相應(yīng)的HRTEM圖像。(j)自犧牲BMOFs制備的氮摻雜碳的相應(yīng)元素映射。
圖3 (a)氧化石墨烯、NC -氧化石墨烯、CNTs和NC-CNTs的XPS譜圖。(b) NC-GO和(c) NCs-CNTs的N 1s XPS峰。(d) x射線衍射模式。(e) NC-GO和(c) NC-CNTs的N
2吸附/脫附等溫線和(f)相應(yīng)的孔徑分布。
圖4 (a) GO和NC-GO， (b) CNTs和NC-CNTs充放電循環(huán)性能。電流密度設(shè)為100 mA g 1，電壓范圍設(shè)為0-3 V。各種陽極在不同電流密度下活化前的速率性能。(c) GO和NC-GO。(d) CNTs和NC-CNTs。經(jīng)過500個(gè)循環(huán)激活。(e) NC-GO和NC-CNTs。在電流密度為1.0 A g 1(電壓范圍從0到1.8 V)時(shí)具有較長的生命周期性能。(f) GO和NC-GO。(g) CNTs和NC-CNTs。
圖5 (a) GO， (b) NC-GO， (c) CNTs和(d) NC-CNTs。在0.2 mV s
-1的掃描速率下，不同陽極在0.01-3V (vs Li/Li
+)范圍內(nèi)的CV曲線。(e)去;(f) NC-GO;(g)碳納米管;NC-CNTs (h)。第100次、300次和500次循環(huán)后陽極的奈奎斯特圖。(我)去;(j) NC-GO;(k)碳納米管;NC-CNTs (l)。內(nèi)部插圖為相應(yīng)的等效電路圖。
圖6 不同電荷態(tài)氧化石墨烯、碳納米管、碳納米管和碳納米管的XPS譜圖。如準(zhǔn)備:(a) GO;(b) NC-GO;(c)碳納米管;(d) NC-CNTs。第一次循環(huán)鋰化后:(e)氧化石墨烯;(f) NC-GO;(g)碳納米管; (h) NC-CNTs；(i) GO; (j) NC-GO; (k)碳納米管; (l)NC-CNTs。
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圖7 (a)經(jīng)過反復(fù)的鋰化和分解過程后，陽極 (NC-GO和NC-CNTs) 衍生CNTs層的擴(kuò)展示意圖。(b) 500循環(huán)前后XRD對(duì)比曲線。(c) CNTs的TEM圖像。NC-CNTs HRTEM圖像。(d)前周期;(e) 500循環(huán)后。
相關(guān)科研成果由北京理工大學(xué)Lei Song和Yongchun Kan等人于2021年發(fā)表在Carbon（https://doi.org/10.1016/j.carbon.2021.10.005）上。原文：Expandable nitrogen-doped multi-scale carbon nanotube anodes fabricated from self-sacrificial metal-organic frameworks for ultralong-life lithium storage。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
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