专栏名称: 研之成理

夯实基础，让基础成就辉煌；传递思想，让思想改变世界。“研之成理科研平台”立足于科研基础知识与科研思想的传递与交流，旨在创建属于大家的科研乐园！主要内容包括文献赏析，资料分享，科研总结，论文写作，软件使用等。科研路漫漫，我们会一路陪伴你！

山东大学：闪蒸加热结合球磨制备石墨烯，突破快速充电锂电池技术

研之成理 · 公众号 · 科研 · 2024-09-28 16:36

正文

随着全球对清洁能源和可持续发展的需求不断增长，锂离子电池因其高能量密度、长循环寿命和无需记忆效应等优点，已成为便携式电子设备、电动汽车和智能电网等领域的重要能源存储技术。然而，传统的石墨负极材料在快速充电时存在锂离子扩散速率慢的问题，导致其倍率性能不佳。近年来，石墨烯作为一种新型碳材料，因其高Li+扩散速率和较大的理论容量而备受关注，被认为是实现快速充电锂离子电池的潜在材料。然而，常规的石墨烯制备方法成本高昂且产量低，限制了其在大规模应用中的实用性。本研究旨在通过一种创新的组合FJH和BM策略，低成本、高通量地生产石墨烯，并通过结构调控提升其作为锂离子电池负极材料的性能。

文章简介

山东大学邓伟侨教授、吴昊教授团队在《ACS Appl. Nano Mater》期刊发表名为“Ordered-Range Tuning of Flash Graphene for Fast-Charging Lithium-Ion Batteries”的论文，研究实施了组合闪蒸焦耳加热和球磨处理，以实现石墨烯的克级生产（称为闪蒸石墨烯，FG）和石墨烯结构的面内有序范围调制。

球磨后，缺陷缺陷的涡轮层FG转化为缺陷丰富的裂纹FG（CFG），其有序范围缩短，层间间距增大。CFG阳极在比容量和速率性能方面优于FG、商用炭黑和石墨电极，这是由于锂传输通道开放和路径缩短。此外，它显示出优异的循环稳定性，在第500次循环时保持99%的高容量。此外，它与LiFePO+4阴极配合良好，使LIB全电池在2C和4C时的充电状态分别为77%和62%。这项关于石墨烯生产和结构工程的研究为快速充电锂离子电池的商业潜力提供了实际应用。

图文导读

图1：展示了通过组合FJH和BM策略制备CFG的工艺流程图。首先，使用商业碳黑（CB）作为碳前驱体，通过FJH操作制备FG。随后，对FG进行球磨处理，使其形成具有缺陷和裂缝的CFG。该图清晰地展示了FG和CFG的结构演变过程，以及FJH和BM在结构调控中的作用。

图2：展示了CB、FG、CFG和石墨的XRD和Raman光谱图。XRD结果表明，FG和CFG都具有良好的层状结构，但其晶格间距略大于石墨。Raman光谱结果表明，FG和CFG都具有典型的石墨烯特征峰，但CFG的D峰强度更大，表明其缺陷更多。这些结果证实了FJH和BM对石墨烯结构的调控作用。

图3：展示了CFG、FG、CB和石墨电极的电化学性能。CV曲线表明，CFG电极具有良好的可逆性和结构稳定性。GCD曲线表明，CFG电极具有优异的倍率性能和长循环寿命。这些结果证实了CFG作为锂离子电池负极材料的优异性能。

图4：进一步分析了CFG电极的动力学特性。CV曲线表明，CFG电极具有快速的表面控制电容行为，其电容贡献率随扫描速率的增加而增加。GITT结果表明，CFG电极的Li+扩散系数远高于石墨电极，表明其具有更快的Li+扩散速率。EIS结果表明，CFG电极具有最低的阻抗，表明其具有最快的Li+扩散速率。

图5：展示了CFG//LFP全电池的电化学性能。全电池具有优异的倍率性能和长循环寿命，在2C和4C下分别具有77%和62%的SOC，表明其具有实现快速充电锂离子电池的潜力。

总结

本研究通过创新性地结合闪蒸焦耳加热（FJH）和球磨（BM）处理方法成功实现了石墨烯的大规模生产及其结构调控。研究人员首先利用FJH技术从商业碳黑（CB）出发制备出闪蒸石墨烯（FG），随后通过BM处理进一步将FG转化为具有缺陷和短程有序结构的裂纹石墨烯（CFG）。实验结果表明，CFG电极相较于FG、CB和石墨电极展现出更高的比容量和卓越的倍率性能，这主要归因于其开放的Li+传输通道和缩短的Li+扩散路径。此外，CFG电极在长循环测试中表现出极高的容量保持率，证实了其结构的稳定性和循环寿命。与LiFePO4 (LFP)阴极组装的全电池在2C和4C的高倍率下仍能维持较高的SOC，展示了其作为快速充电锂离子电池的实用潜力。总体而言，这项工作不仅为石墨烯基快速充电电池的研制提供了低成本、高通量的解决方案，也为未来的商业化应用奠定了坚实基础。

文献信息

https://doi.org/10.1021/acsanm.2c04717

焦耳加热设备

焦耳热高温超快材料制备装置可实现毫秒级别升温和降温，能达到1秒内升温至3000K的效果，试验样品可以是薄膜、块体、粉末等。对比现在常用的马弗炉、管式炉升温慢、加热时间长等缺点，极大地节约了科研人员宝贵的科研时间，并且会有与马弗炉和管式炉不同的冲击效果。该装置可抽真空或者是通氛围气体使用，还可以根据要求进行定制。公司致力于实验室（超）高温、解决方案。目前我公司设备已广泛应用于能源催化材料、石墨烯等二维材料、高熵化合物、陶瓷材料等材料的超快速高质量制备。详情请咨询15910950130。

扫码添加客服微信