激光诱导煤基多孔石墨烯，用于锂离子电池

摘要：石墨烯因其独特的性能而被认为是下一代锂离子电池（LIB）中最有前途的负极材料之一。然而，二维石墨烯的制备过程繁琐、成本高，而且纳米片之间强烈的范德华相互作用导致其容易聚集，影响了石墨烯在锂离子电池中的高可逆容量。本文，中国矿业大学（北京）Ruiping Liu

1成果简介

石墨烯因其独特的性能而被认为是下一代锂离子电池（LIB）中最有前途的负极材料之一。然而，二维石墨烯的制备过程繁琐、成本高，而且纳米片之间强烈的范德华相互作用导致其容易聚集，影响了石墨烯在锂离子电池中的高可逆容量。本文，中国矿业大学（北京）Ruiping Liu、王绍清教授等研究人员在《ADVANCED SCIENCE》期刊发表名为“Laser-Induced Coal-Based Porous Graphene as Anode Toward Advanced Lithium-Ion Battery”的论文，研究报告了一种以烟煤为前原料制备多孔石墨烯基材料（LIG-B）的激光诱导策略。LIG-B 具有多孔泡沫状结构和更大的层间距，比典型 AB 堆积的石墨烯的层间距更大。

作为LIB的阳极，LIG-B在100mA g-1 的电流密度下显示出400mAh g-1 的高比容量，在100mA g-1 下循环 900 次后，其初始可逆容量保持率高达95.0%。这一结果高于石墨烯基材料，如掺杂N的rGO（200 mAh g-1）、掺杂 N 的石墨烯薄膜（150mAh g-1）和rGO薄膜（80mAh g-1）。最重要的是，在2000mA g-1 的条件下仍能保持220mAh g-1 的高容量，这表明它具有卓越的速率能力。这项工作提供了一种低成本的方法来合成具有快速锂/电导率的多孔石墨烯基材料，从而实现高性能LIB。

2图文导读

图1、Schematic diagram of the preparation process of LIG-B coal-based graphene.

图2、a–c) SEM images of LIG-B at different scales. d–f) TEM images of LIG-B at different scales.

图3、a) PSD of LIG-B. b) Raman spectra of LIG-B. c) XRD patterns of LIG-B. d) Peak fitting results from LIG-B. e,f) high-resolution XPS spectra of C1s and O1s.

图4.a) CV curves of LIG-B at the scan rate of 0.1 mV s− 1. b) Charge-discharge curves of LIG-B at different current densities. c) Rate capability of LIG-B and NG at current densities from 100 to 2000 mA g−1 for LIB. d) Cycling performances of LIG-B and NG at current density of 100 mA g−1; e) performance comparison of the LIG-B anode with the previously reported coal carbon anode materials.

图5、a) EIS of the batteries with the two anodes. b) CV curves of LIG-B at different scan rates from 0.2 to 1 mV s−1. c) Capacitive charge-storage contributions at different scan rates from 0.2 to 1 mV s−1. d) Relationship between the peak current and scan rate. e) The calculated D Li+ of LIG-B varies with potential. f) Time-voltage curve. g) In situ XRD patterns of LIG-B during discharge–charge.

图6、a) The schematic of coin full cell; b) EIS of the coin full cell; c) CV curves of coin full cell at the scan rate of 0.1 mV s− 1; d) The charge–discharge profiles of full cell; e) The cycle performance of full cell with an insert featuring a lit LED.

3小结

总之，基于激光诱导策略成功制备了多孔石墨烯基材料阳极。煤炭前驱体首先转化为无定形碳，然后在激光照射下转化为石墨烯，由于前驱体释放的气体释放迅速，获得了三维多孔石墨烯基材料。多孔石墨烯基材料丰富的中孔和增大的层间距有利于锂离子的扩散和存储。作为锂离子电池的阳极，LIG-B 在 100mA g-1 的电流密度下显示出 400mAh g-1 的高比容量。最重要的是，在电流密度为 2000mA g-1 时，可获得220 mAh g-1 的高放电容量。出色的电化学性能表明，煤基负极材料在先进锂离子电池中具有良好的应用潜力。这项工作将为设计用于锂离子电池或其他二次电池的煤基负极提供一种有效且低成本的策略。

文献：https://doi.org/10.1002/advs.202504592