石墨烯基材料作为钠离子电池阳极材料的最新进展

钠离子电池（SIB）已成为储能应用中锂离子电池（LIB）的有前途的替代品，这归因于钠资源丰富，成本低以及类似的电化学性能。然而，与Li +相比，Na +的大半径和高摩尔质量导致在充电/放电期间的大体积应变以及低可逆容量和较差的循环稳定性。由于其优异的物理和化学性能，石墨烯作为潜在的SIB阳极材料已引起越来越多的关注。与电极中的其他纳米材料集成时，石墨烯可以提高电导率，适应较大的体积变化并增强反应动力学。

澳大利亚昆士兰科技大学闫澄教授及相关研究人员对SIB的石墨烯基阳极应用的最新进展进行了系统的综述，重点是制备，结构构型，Na +储存机理和电化学性能。另外，针对改善石墨烯基电极的钠存储性能提出了相关观点。该综述以“Recent advances in graphene based materials as anode materials in sodium-ion batteries”为题发表在《JOURNAL OF ENERGY CHEMISTRY》上。

图文解读

图1.钠离子电池工作原理示意图[1]。

图2. Na离子在硬碳中存储的机理示意图：（a）“插入-吸附”机理；（b）“吸附插入”机制。[2]

图3.（a）石墨烯的生产方法。每种方法都经过了石墨烯质量（G），成本方面（C；低值表示高生产成本），可扩展性（S），纯度（P）和整个生产过程的产率（Y）的评估[ 3]。（b）从石墨开始的GO生产方法[4]。（c）制备还原型氧化石墨烯（rGO）[5]。

图4.（a）多孔KOH活化GO膜的合成过程示意图[6]。 （b）通过pH辅助水热法生产的石墨烯水凝胶[7]。（c）夹层状多孔碳/石墨烯纳米复合材料的结构及其电化学性能的示意图[8]。

图5.（a）N掺杂石墨烯片的合成过程及其电化学性能的示意图[9]。（b）BF-rGO及其长寿命循环稳定性的示意图[10]。

图6.基于可逆Na +插入和萃取过程的石墨烯纳米复合阳极的分类。（a）TiO2-G杂化体的钠存储机理示意图[11]。（b）TiO2-石墨烯纳米复合材料的部分键合石墨烯TiO2-B（001）界面图[12]。 （c）FeTe2-rGO混合微球[13]。 （d）由Fe2O3纳米颗粒和GO片组成的夹心结构[14]。（e）MoS2 /石墨烯复合纸的电压曲线[15]。（f）Sb2O4 @ rGO循环的机制。经许可复制[16]。（g）P @ rGO的结构[17]。（h）多孔Sb2S3 / SGS复合物中正交晶Sb2S3和SGS的晶体结构，突出了Na +和电子的快速传输[18]。

图7.（a）一锅式喷雾热解3D MoS2-石墨烯复合微球的形成机理示意图和Na +插入过程的描述，（b）3D MoS2的长期循环性质和库仑效率 石墨烯复合微球，电流密度为1.5 A g-1，（c）G @ MS @ C复合物形成的示意图，（d）100 mA g-1和1 A g-1的循环性能 G @ MS @ C电极。（a，b）[19]  （c，d）[20]。

图8.（a）示意图说明Na +离子向非晶态Fe2O3和结晶态Fe2O3的传输路径，以及钠离子电池的转化反应。（b）Fe2O3 @ GNS和纯石墨烯纳米片的循环性能以2 A g-1的电流循环，Fe2O3 @ GNS样品的库仑效率。（c）Na可充电电池中Co3O4的转化和再转化反应机理示意图。（d）Co3O4石墨烯杂化材料的TEM图像。（e）与Co3O4纳米颗粒相比，Co3O4–石墨烯杂化材料的循环稳定性。（f）RGO相互连接的核壳结构的RGO @ CoP @ C FeP多孔微立方体的形成示意图。（g）RGO @ CoP @ C-FeP，CoP @ C-FeP和C-FeP电极的循环性能。（a，b）[21]。 （c，d，e）[22]  （f，g）[23]。

图9.（a）图示了SnS2和SnS之间的相变过程的示意图（底部）。（b）SnS @石墨烯电极在不同电流密度下的长循环性能。（c）Sb / MLG杂种的制备过程示意图。（d）MLG，Sb，Sb MLG混合物和Sb / MLG混合电极的循环性能和倍率性能。（a，b）[24]。  （c，d）经许可复制[25]。

结论

尽管在用于SIB的石墨烯基负极材料方面取得了巨大的进步，但仍有一些领域值得进一步研究。将2D石墨烯转变为3D多孔结构会增加表面积并有利于离子/电子扩散，但会降低能量密度。此外，3D多孔石墨烯的机械强度较差，合成技术通常非常复杂。在石墨烯上引入缺陷会增加Na储存的活性位，尽管会大大降低电导率。将杂原子引入石墨烯会显着改变其理化和电子性质，从而增强Na的储存能力。然而，精确控制石墨烯的掺杂仍然是一个挑战。因此，需要进一步的研究以开发具有最佳电化学性能的各种石墨烯纳米结构的新的和可控制的合成。有必要探索石墨烯与纳米材料之间的相互作用如何影响阳极的性能。在设计基于石墨烯的纳米复合材料时，必须优化纳米材料的质量负载，粒径和形态，以实现更高的性能。开发具有高效率和长期可循环性的石墨烯基阳极以实施在实际的SIB中仍然是一个挑战。SIB中的存储机制很复杂，应通过原位技术（电子显微镜，XRD，拉曼和同步加速器）进行进一步研究。

近年来，在开发用于SIB的石墨烯基阳极材料方面的研究程度和取得的巨大进展表明，这种材料的商业应用前景广阔。通过对阳极的深入理解和合理设计的更多开创性工作，可以实现性能优越的钠离子电池。

DOI: 10.1016/j.jechem.2019.06.016

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