卢云峰教授/莫润伟博士后研究员AFM：基于液相催化剥离制备高导电性、高分散性石墨烯，并探讨其在锂离子电池中的应用- 大数跨境

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卢云峰教授/莫润伟博士后研究员AFM：基于液相催化剥离制备高导电性、高分散性石墨烯，并探讨其在锂离子电池中的应用

科学材料站

2020-11-18

导读：该文章介绍了一种基于催化剥离原理制备高导电性、高分散性石墨烯的方法，同时论证了其在锂电池正极复合材料中提高循环稳定性及倍率性能的作用，这为推动高功率型锂离子电池及其在电动汽车等领域的应用提供了新思路。

文章信息

基于液相催化剥离制备高导电性、高分散性石墨烯及其在锂离子电池中的应用

共同第一作者：陶然，李凡

通讯作者：卢云峰*，莫润伟*

单位：加州大学洛杉矶分校

研究背景

液相剥离制备石墨烯是实现大规模生产石墨烯最重要的方法之一。近年来尽管一直有文献报道采用液相剥离制备高品质石墨烯，但制备同时具有高导电性与高分散性的石墨烯仍然具有挑战性。

本篇报道了一种基于石墨插层原理，将具有催化活性的FeCl3插入边缘氧化石墨层间，再利用层间FeCl3催化循环分解H2O2鼓泡剥离得到大尺寸（~10 μm）、高导电性（926 S cm-1）及高分散性（~10 mg mL-1 水体系）石墨烯的方法。这种石墨烯可以广泛应用于同时需求导电性与水系分散性的领域，例如锂电池、超级电容器及太阳能电池。

作为应用实例，我们利用喷雾干燥法将该高导电性、高分散性石墨烯与商业LiFePO4复合，并证明了石墨烯导电网络大幅度提高了该复合电极的循环稳定性、倍率性能及体积能量密度。该工作提供了一种利用液相剥离法制备高导电性及高分散性石墨烯的新方法，有助于推动石墨烯商业化及其在不同领域中的应用。

文章简介

近日，美国加州大学洛杉矶分校 (University of California, Los Angeles) 卢云峰教授课题组和莫润伟博士后研究员在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“High-Conductivity–Dispersibility Graphene Made by Catalytic Exfoliation of Graphite for Lithium-Ion Battery”的文章。

该文章介绍了一种基于催化剥离原理制备高导电性、高分散性石墨烯的方法，同时论证了其在锂电池正极复合材料中提高循环稳定性及倍率性能的作用，这为推动高功率型锂离子电池及其在电动汽车等领域的应用提供了新思路。

本文要点

要点一：基于催化剥离原理制备大尺寸、高导电性及高分散性石墨烯（HCDG）

图1. 采用催化剥离制备高导电性、高分散性石墨烯过程示意图

我们基于石墨插层原理，将具有催化活性的FeCl3插入边缘氧化石墨层间，再利用FeCl3催化分解H2O2鼓泡剥离制备得到石墨烯。

与传统液相剥离法不同，这种方法先从边缘由Mn3+率先与H2O2反应打开层间入口，暴露出插入层间的FeCl3催化剂，再经过H2O2扩散至层间后与FeCl3反应，由外至内逐步剥离石墨烯片层。

值得注意的是，位于石墨烯边缘的含氧官能团提高了石墨烯水系分散性，而FeCl3的有效插层以及从外到内的逐步剥离使得石墨烯具有少层、高导电性及大尺寸的特性。

图2. HCDG的物象表征。（a）HCDG，FeCl3-边缘氧化石墨嵌层物，边缘氧化石墨以及石墨的XRD谱图。（b）HCDG及石墨的拉曼谱图。（c）HCDG的XPS能谱。（d-f）HCDG的TEM图像（g）SEM图像及（h）AFM图像。（i）HCDG的尺寸分布。（j）HCDG的尺寸、导电性及水系分散性与已报道的其他石墨烯材料性能对比。

要点二：利用喷雾干燥制备LiFePO4-高导电性、高分散性石墨烯 (LFP-HCDG) 正极

这种高导电性、高分散性石墨烯在能源材料领域尤其是同时需要上述两种特性的应用中具有巨大的利用前景。为了论证这一观点，我们采用喷雾干燥法，将HCDG与纳米尺寸（~30nm）的商业LiFePO4复合，得到LFP-HCDG正极。大尺寸石墨烯相比与小尺寸石墨烯，能够构建更有效的电子传导网络。

HCDG的高导电性提高了复合正极的电子传导速率，高分散性实现了水体系下与活性材料的有效复合。此外，喷雾干燥还有效增大了正极材料的振实密度，配合LFP-HCDG在高倍率下展现出的高容量，提高了电极的体积能量密度。

图3. LFP-HCDG的物象表征。（a）LFP-HCDG正极复合材料中的电子传导分析及其与小尺寸石墨烯复合正极对比。（b-c）LFP-HCDG的SEM图像，（d-e）SEM-EDS图像，（f-h）TEM图像。（i）LFP-HCDG在空气气氛下的TGA曲线。

要点三：LiFePO4-高导电性、高分散性石墨烯的电化学性能

大尺寸、高导电性及高分散性石墨烯大大提高了LFP-HCDG复合正极的长程导电性及锂离子迁移速率。

对比LiFePO4-氧化石墨烯（LFP-GO）及商业LiFePO4，LFP-HCDG展现了高可逆容量 (159.9 mA h g-1 at 0.5 C)、高倍率性能(76.6 mA h g-1 at 20 C)及优良的循环稳定性 (retention >89% over 1000 cycles)。

同时，利用喷雾干燥的复合方法在商业LiFePO4中加入HCDG提高了电极体积能量密度 (658.7 at 0.5 C and 287.6 W h L-1 at 20 C)。

图4. LFP-HCDG，LFP-GO及商业LFP的电化学性能及动力学分析：（a）充放电曲线（b）循环伏安曲线（c）倍率性能（d）活性材料利用率（e）2C下的循环性能（f）EIS曲线（g）中位放电电压（h）在不同倍率下的体积能量密度。

要点四：前瞻

当前通过液相剥离法大规模制备高品质（单层或少层，大尺寸，高导电性）同时具备良好水系分散性石墨烯的研究仍然有限，这也是限制石墨烯在能源材料领域广泛应用的重要因素之一。

本篇文章提供了一种基于催化剥离原理有效制备大尺寸、高导电性及分散性石墨烯的方法，对未来制备高品质石墨烯的研究及加速商业化石墨烯具有指导作用。

同时，本文论证了高导电性、分散性石墨烯在正极复合材料中构建导电网络从而提高电池循环稳定性及倍率性能的可行性，为开发高功率锂电池及其在电动汽车等领域的应用提供了新思路。

文章链接

“High-Conductivity–Dispersibility Graphene Made by Catalytic Exfoliation of Graphite for Lithium-Ion Battery”

https://doi.org/10.1002/adfm.202007630

通讯作者介绍

卢云峰 (Yunfeng Lu)，加州大学洛杉矶分校化学与生物分子工程系教授。

博士就读于新墨西哥大学化学工程专业，师从C. Jeffrey Brinker。在2005 年同时获得总统科学家和工程师早期职业奖(Presidential Early Career Awards for Scientists and Engineers )；美国能源部早期职业科学家和工程师奖 (Early Career Scientist and Engineer Awards, Department of Energy)；美国化学会联合利华奖 (Unilever Award, American Chemical Society, Division of Colloid and Surface Chemistry)。

研究方向：能源存储及转化; 药物递送及纳米医学。

https://samueli.ucla.edu/people/yunfeng-lu/

莫润伟（Runwei Mo），美国加州大学洛杉矶分校化学与生物分子工程系博士后。

博士就读于哈尔滨工业大学。瞄准电荷高效储存与输运的结构调控科学问题，在电化学储能新材料设计以及制造新技术方面取得了系列创新性成果：第一作者／通讯作者身份发表 Nature Communications (3 篇), Advanced Materials, ACS Nano (2 篇), Advanced Functional Materials, Energy Storage Materials (3 篇) 等多篇国际知名期刊论文。

研究方向：先进能源存储材料；厚电极关键制造技术。

第一作者介绍

陶然（Ran Tao），2015年本科毕业于北京航空航天大学化学学院应用化学专业，2020年博士毕业于加州大学洛杉矶分校化学与生物分子工程系化学工程专业，博士期间获得奖学金（Graduate Division Fellowship）。目前在劳伦斯伯克利国家实验室从事博士后研究。研究方向：锂电池，纳米材料。

李凡（Fan Li）, 2015，2020年在加州大学洛杉矶分校化学与生物分子工程系分别获得化学工程学士，化学工程博士学位。博士期间获得奖学金（Graduate Division Fellowship）。研究方向：能源存储，纳米材料。

【课题组介绍】

课题组网站：http://www.seas.ucla.edu/~lu/