人们对高能量密度和优异倍率性能电池的需求日益增长，推动了可充电锂离子电池(LIBs)的发展。电荷转移动力学和极化理论是LIBs中电荷调节的基本原理，电子和离子的快速转移对电化学反应过程至关重要。石墨烯作为高性能LIBs中电荷调节的有前途的候选材料，因其优异的载流子迁移率、大比表面积和结构可调性等特点而受到广泛的研究。综述了石墨烯的结构设计和界面修饰以调节LIBs中电荷传输的最新研究进展。此外，还详细阐明了石墨烯的结构与其在LiBS中的专用应用之间的结构-性能关系。以石墨烯为典型例子探索电荷调节机制，将勾勒出进一步了解和改进碳基纳米材料的方法，为下一代电化学储能装置打下基础。
 
 
图1. 修饰石墨烯通过缺陷工程在LIBS中的电荷调节作用。
 
  
图2. LiFePO₄电极中动力学过程示意图。
 
 
图3. 石墨烯的设计和改性方案示意图。
 
 
 
图4. (a)大尺寸石墨烯和(b)小尺寸石墨烯对电子输运和LIBs中锂离子的影响。
 
 
图5.原始石墨烯和三种典型的石墨烯修饰方案，通过引入缺陷，用于促进LIBs中的电荷传输。(a)完美结构石墨烯基体示意图。(b)在石墨烯晶格中引入缺陷和孔隙，加速电解质的渗透和Li⁺的扩散。(c)氧化功能化石墨烯产生活性材料与氧化石墨烯(或还原氧化石墨烯)之间紧密接触的锚定点，以实现电子和离子的高效转移。(d)在石墨烯晶格中掺杂杂原子(N, S, B, P)来调整石墨烯的局部电子结构，以实现电子快速转移。
 
  
图6. (a)制备LFP/C-rGO杂化物的示意图。LFP, LFP/C, LFP/C-rGO复合材料和LFP/C-rGO杂化物的(b)容量保持率、库仑效率和(c)速率性能的比较。(d)采用同步图形化方案制备 ZnFe₂O₄-RGO杂化物的图示。ZnFe₂O₄、ZnFe₂O₄-RGO1和ZnFe₂O₄-RGO的(e)循环稳定性和(f)倍率容量。
 
 
图7. (a)石墨烯晶格中N和B结合条件的结构原理图，用品红点环标出。(b)N-掺杂和(c)B-掺杂石墨烯电极在不同电流速率下的恒电流充放电曲线。(d) N-掺杂和(e) B-掺杂石墨烯电极在0.5~25 A·g^-1的电流密度下的倍率能力和循环性能。
 
 
图8. 不同维度的石墨烯基宏观结构示意图。(a)和(b)为石墨烯基一维宏观形式。 (c)-(e)为石墨烯基二维宏观形式。(f)-(h)为石墨烯基三维宏观形式。
 
 
 
图9. (a)NHGM制备示意图。(b)不同面力负荷下NHGM电极的循环性能。(c) NHGM电极与其它报道的硅基和碳/硫混合电极相比，容量随循环次数的变化。
 
 
 
图10. 石墨烯基复合材料结构模型。胶囊化的：石墨烯包裹单一活性物质颗粒。混合的: 在电极制备过程中，单独合成和机械混合石墨烯与活性材料。包裹的: 活性物质颗粒被多个石墨烯片包裹。锚定的: 这是石墨烯复合材料最常见的结构，其中电活性纳米粒子锚定到石墨烯表面。类三明治模型: 以石墨烯为模板制备活性材料/石墨烯三明治结构。分层模型: 活性材料纳米粒子与石墨烯片交替形成复合层结构。
 
 
 
图11. (a)由于接触不良和弱附着力，集流器与电极材料之间的界面存在界面电阻的示意图。(b)石墨烯改进集流器与电极材料之间有效电子转移示意图。(c) 3D互连多孔氮掺杂石墨烯泡沫作为柔性可充电LIB集流器的结构和电化学特性示意图。(d)石墨烯Al箔涂层用作用等离子体-增强化学气相沉积作为LFP阴极的集流器，和(e)使用辊压和浸涂工艺的微图案铝箔为NCA阴极的N-掺杂和F-掺杂石墨烯界面层。
 
  
图12. (a)石墨烯与其他导电剂的竞争与合作。(b)含石墨烯导电剂的LFP电极的形态和电化学表征。 (c)采用Super-P和石墨烯复合导电剂的Nb₂O₅电极。和(d)含有乙炔黑和石墨烯复合导电剂的尖晶石LiMn₂O₄电极。
 
       相关研究成果由北京大学化学与分子工程学院，北京分子科学国家研究中心Danping Sun等人于2021年发表在Nano Research(https://doi.org/10.1007/s12274-021-3405-0)上。原文：Graphene: A promising candidate for charge regulation in high-performance lithium-ion batteries。

转自《石墨烯研究》公众号