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同濟大學Jia Huang課題組–通過石墨烯引發劑快速微波碳化天然纖維素納米纖維制備高性能鈉離子電池陽極

纖維素以其豐富、可再生、低成本等優點,成為了一種極具發展前景的天然生物高分子材料。本文提出了一種利用纖維素納米纖維(CNFs)在微波輻照下制備鈉離子電池(SIBs)鈉化碳陽極的新方法,用于潛在的超高速和大規模制造。由于CNFs對微波的吸收較弱,通常不可能通過微波處理直接碳化CNFs,但研究發現少量還原氧化石墨烯(rGO)可以作為有效的引發劑。微波還原氧化石墨烯(rGO)釋放出極高的能量,導緻局部超高溫和超高的升溫速率,從而緻使CNFs快速碳化,并在幾秒鐘内産生鈉化碳質材料。碳質材料中的鈉是由含鈉離子羧基的CNFs碳化引入的,它為鈉離子插入碳質陽極的嵌鈉/脫鈉提供了良好的空間,從而提高了鈉離子插入碳質陽極的電化學性能。當微波化的 rGO-CNF (MrGO-CNF)被用作SIBs的陽極時,可提供558 mAh g−1的高初始容量,并在200次循環後仍保持340 mAh g−1的容量。良好的可逆性和循環穩定性表明,MrGO-CNF是鈉離子電池的理想陽極。

Figure 1. MrGO-CNF合成工藝示意圖。

Figure 2. (a,b) GO-CNF)和(d,e) MrGO-CNF的SEM圖。(c) GO-CNF和(f) MrGO-CNF的TEM圖。(g) MrGO-CNF的元素映射。

Figure 3. (a) GO-CNF、rGO-CNF和MrGO-CNF的XRD圖。(b) MrGO-CNF的拉曼光譜。(c) MrGO-CNF的2D峰值。 MrGO-CNF的(d) FT-IR圖和e)隔離FT-IR圖。(f) MrGO-CNF的N2吸附-解吸等溫曲線。

Figure 4. GO-CNF、rGO-CNF和MrGO-CNF的XPS詳細分析。(a)XPS。(b)碳、氧和(c)鈉的原子含量。(d) C-CNF、(e) rGO-CNF和(f) MrGO-CNF的C 1sXPS譜。(g) GO-CN還原和微波的示意圖。

Figure 5. MrGO-CNF陽極的鈉離子半電池。(a) MrGO-CNF在掃描速率為0.1 mV s−1時的CV曲線。(b)電流密度為100 mA g−1時,電位範圍為0.001-2.5 V,MrGO-CNF的第1、2和25個周期的恒流嵌鈉/脫鈉曲線。(c) MrGO-CNF(紅線)和硬質碳(灰線)的充放電循環性能。(d)電流密度為100 mA g−1時,MrGO-CNF的充放電循環性能。(e) MrGO-CNF的倍率性能。(f) MrGO-CNF的Nyquist圖及其等效電路。

相關研究成果于2019年由同濟大學Jia Huang課題組,發表在Small ( https://doi.org/10.1002/smll.201901724)上。原文:High-Performance Sodium-Ion Battery Anode via Rapid Microwave Carbonization of Natural Cellulose Nanofibers with Graphene Initiator

本文來自石墨烯雜志,本文觀點不代表利特納米立場,轉載請聯系原作者。

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