環保型碳基陽極由于易于獲取、導電性高、存儲容量大，在鋰離子電池中作為負極材料極具吸引力。然而，目前文獻報道的碳陽極容量低，循環穩定性差，不能滿足當前對高能量密度材料日益增長的需求。采用ZIF-67和ZIF-8作為自我犧牲模板，研制了高氮摻雜可膨脹碳基陽極。與純碳陽極相比,如氧化石墨烯和碳納米管,體積小的可擴展的氮摻雜碳納米管修飾(NC-GO)和氮摻雜的碳納米管(NCCNTs)陽極開發的這項工作表現出逐漸增加的可逆比容量,以及以及790和800 mA h g
−1的高容量，, 即使在100 mA h g
−1的情況下，500次循環后仍能持續。此外，該陽極具有超長的循環壽命，當NC-GO循環超過7000次時，其容量損耗率極低，當NC-CNTs循環超過10000次時，其容量損耗率為0.0042%，優于現有文獻。本工作為下一代可充電儲能系統中使用的高容量超長循環壽命碳基陽極的發展提供了新的愿景和方向。
圖1 NC-GO和NC-CNTs的合成過程示意圖。
圖2 (a)氧化石墨烯，(b)CNTs， (c) NC-GO和(d) NC-CNTs的SEM圖像。(e) ZIFs碳化后放大的SEM圖像。(f) NC-GO和(g) NC-CNTs的TEM圖像。(h)導出的氮摻雜小尺寸CNTs的放大視圖和(i)相應的HRTEM圖像。(j)自犧牲BMOFs制備的氮摻雜碳的相應元素映射。
圖3 (a)氧化石墨烯、NC -氧化石墨烯、CNTs和NC-CNTs的XPS譜圖。(b) NC-GO和(c) NCs-CNTs的N 1s XPS峰。(d) x射線衍射模式。(e) NC-GO和(c) NC-CNTs的N
2吸附/脫附等溫線和(f)相應的孔徑分布。
圖4 (a) GO和NC-GO， (b) CNTs和NC-CNTs充放電循環性能。電流密度設為100 mA g 1，電壓范圍設為0-3 V。各種陽極在不同電流密度下活化前的速率性能。(c) GO和NC-GO。(d) CNTs和NC-CNTs。經過500個循環激活。(e) NC-GO和NC-CNTs。在電流密度為1.0 A g 1(電壓范圍從0到1.8 V)時具有較長的生命周期性能。(f) GO和NC-GO。(g) CNTs和NC-CNTs。
圖5 (a) GO， (b) NC-GO， (c) CNTs和(d) NC-CNTs。在0.2 mV s
-1的掃描速率下，不同陽極在0.01-3V (vs Li/Li
+)范圍內的CV曲線。(e)去;(f) NC-GO;(g)碳納米管;NC-CNTs (h)。第100次、300次和500次循環后陽極的奈奎斯特圖。(我)去;(j) NC-GO;(k)碳納米管;NC-CNTs (l)。內部插圖為相應的等效電路圖。
圖6 不同電荷態氧化石墨烯、碳納米管、碳納米管和碳納米管的XPS譜圖。如準備:(a) GO;(b) NC-GO;(c)碳納米管;(d) NC-CNTs。第一次循環鋰化后:(e)氧化石墨烯;(f) NC-GO;(g)碳納米管; (h) NC-CNTs；(i) GO; (j) NC-GO; (k)碳納米管; (l)NC-CNTs。
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圖7 (a)經過反復的鋰化和分解過程后，陽極 (NC-GO和NC-CNTs) 衍生CNTs層的擴展示意圖。(b) 500循環前后XRD對比曲線。(c) CNTs的TEM圖像。NC-CNTs HRTEM圖像。(d)前周期;(e) 500循環后。
相關科研成果由北京理工大學Lei Song和Yongchun Kan等人于2021年發表在Carbon（https://doi.org/10.1016/j.carbon.2021.10.005）上。原文：Expandable nitrogen-doped multi-scale carbon nanotube anodes fabricated from self-sacrificial metal-organic frameworks for ultralong-life lithium storage。
轉自《石墨烯研究》公眾號
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