基于多孔石墨烯片-线微观复合包覆网络结构的调控构建及其储钠特性与机制研究

One dimensional mesoporous wires assembled by two dimensional graphene sheet unit through precise construction have been considered as potential electrodes for sodium-ion batteries due to their high sodium storage capacity. However, limited by their structure defects such as serious aggregation and inferior stability, the rate capability and cycle life of the material are still unsatisfactory. To solve the above problems effectively, in the project, a series of hybrids constructed by carbon coated graphene mesoporous wires and porous graphene networks are synthesized by a template-assisted pyrolytic technology. The microstructure of the as-synthesized hybrids will be investigated and the electrochemical sodium storage performance of the hybrids will be studied systematically. And the materials with excellent rate capability and cycling stability will be obtained during the research. By combining the experiment and the theoretical calculation results, the electrochemical mechanism of the hybrids will be elucidated on the basis of the construction of the relationship among the microstructures, the sodium storage performance, the laws for the electrode structure development, the interfacial effect, and the electrochemical and transport kinetics. The research will promote the progress for hybrid material science and the electrode materials of sodium-ion batteries.

石墨烯有序化精细调控所构建的单体具有二维结构，整体具有一维结构的介孔线材料是极具应用潜力的高容量电极材料，但由于其存在团聚严重和稳定性差等缺陷，致使其大倍率、长寿命储钠表现并不理想。本申请拟利用模板辅助热解技术设计构建多孔石墨烯网络分散、负载、包夹碳包覆石墨烯介孔线复合体系以改善石墨烯介孔线单一材料的储能缺陷。通过对所构建复合包覆网络微观结构的深入分析并对其用作钠离子电池负极时电化学性能系统研究的基础上，优化获得具备优异倍率储钠性能和循环稳定性的电极材料。结合实验和理论计算研究，构建复合材料微观结构参数、电化学储钠性能、电极界面嵌脱钠过程微观结构变化规律、电极材料的电化学动力学特性、界面效应以及传输动力学特性之间关联，以揭示复合结构体系优于单一石墨烯微观组装体在实现高性能储钠时的作用机制。本研究将促进复合材料科学和钠离子电池电极材料等研究的发展。

传统石墨烯二维片层由于π-π相互作用和范德华力导致聚结而成的三维块体材料并不能有效继承其本体的优异力热光电特性，该种粗放型的石墨烯自发无序组装方式所产生的结构劣势导致该材料用作电池电极时未能高效、高稳定性地发挥其储钠性质。本项目创新性地提出通过石墨烯有序化精细调控构建基于石墨烯微观组装体复合结构以改善传统石墨烯在用于电化学储钠时的结构缺陷，重点围绕石墨烯片-线微观复合包覆网络结构的构建及其储钠特性与机制探索开展了系统性地研究工作。通过将模板辅助限域热解技术与化学气相沉积技术的有机结合，开发出系列石墨烯介孔线电极、石墨烯片负载兼碳包覆介孔线复合电极、石墨烯片负载兼碳包覆金属化合物复合电极、石墨烯-碳纳米管包覆金属化合物复合电极，并明确了片-线复合电极的构建方法与构筑原则。在此基础上，明晰了所构建电极材料的复合方式，适配原则，尺度效应对复合体储钠性质的影响规律，优化筛选获得具备优异电化学储钠特性的复合电极其精确结构特征及相应复合材料。运用多种电化学分析技术以及原位/非原位检测手段，通过对所构建的系列复合电极微结构参数，储钠性质，形貌结构演变规律，电子/离子输运特性及储能动力学特性的分析，结合基于密度泛函理论的第一性原理计算对带隙、Bader电荷、电子-空穴耦合、结合能、吸附能、迁移路径、扩散势垒等的研究，揭示了复合体系在改善电极电容贡献率，增大离子迁移速率，加强电导，维持活性体稳定性，提升电极浸润性，促进离子稳态传输，缓释体积效应以实现高效储钠的性能增强机制。基于本项目所产生的系列研究成果有望为石墨烯微观组装体应用于电化学储能电极提供理论与技术支撑。