宁夏煤基石墨烯/Fe2O3自支撑电极：高比能锂离子电池的关键创新

本研究论文聚焦于利用煤炭资源开发新型碳纳米材料——煤基石墨烯(CGO)来增强过渡金属氧化物电化学性能，目标是制造具有高比容量和高稳定性的锂离子电池负极材料。研究团队以宁夏太西无烟煤为碳质前体，采用高温石墨化-化学氧化工艺制备出CGO，这是一种经济且环保的方法，因为煤炭资源丰富且处理过程相对简单。 接下来，研究者通过多孔泡沫镍作为3D支撑骨架和集流体，利用含铁的DMF（二甲基甲酰胺）/H2O混合溶液和CGO水溶液作为电解液，采用了二次原位电沉积技术，成功构建了煤基石墨烯/三氧化二铁(CG/Fe2O3)自支撑复合材料。这种复合材料的设计旨在提高电极的结构稳定性，同时提供高效的锂离子存储和传输路径。 实验结果显示，当DMF与H2O的体积比为1:1时，得到的Fe2O3自支撑材料呈现出独特的鹿角状结构，这有助于优化材料的电化学性能。而当CGO的质量浓度为0.1 mg/mL时，CG/Fe2O3-1复合材料显示出分级多孔的自支撑结构，这有利于锂离子的快速扩散和负载，从而实现高的电导率。 将CG/Fe2O3-1自支撑复合材料用作锂离子电池负极，在1.0 A/g的大电流密度下，显示出令人满意的1 156 mA·h/g高可逆容量，并且容量保持率高达88.9%。即使电流密度提升到5.0 A/g，容量仍然维持在1 074 mA·h/g左右，表现出卓越的倍率性能。这表明该材料在高速充放电条件下仍能保持良好的电化学稳定性。 电荷储存机制分析揭示，CG/Fe2O3-1复合电极的电容主要来源于两个方面：一是CG在充放电过程中形成的双电层电容，二是Fe2O3氧化还原反应产生的赝电容。这种优异的储锂性能得益于分级自支撑负极的设计，它提供了稳定的三维结构和畅通的锂离子传输路径，有效缓解了Fe2O3在充放电过程中可能发生的体积变化，从而加速了锂化/脱锂过程的动力学。 总结来说，这篇论文创新性地利用煤炭资源制备出高性能的煤基石墨烯/三氧化二铁复合材料，作为锂离子电池的负极，展现了其在电池能量密度、循环稳定性和快速充放电能力方面的优势，对于推动煤炭资源的绿色利用和高性能电池技术的发展具有重要意义。