多孔石墨烯纳米片阵列的制备与储钾性能研究

石墨烯钾离子电池(PIBs)具有原料储量丰富及与锂离子电池接近的标准电位的优势,在储能领域受到广泛关注。快速储能特性对于钾离子电池的应用具有重要意义。石墨烯具有良好的导电性及较短的离子电子扩散路径,是钾离子电池负极材料的理想选材之一。与离子插层相比,石墨烯基于吸脱附机制的储能更有利于快速充放电,且具有较长的电极寿命。不同于石墨烯的结构调控、掺杂及无序化等改性方法,制备多孔石墨烯有利于增加更多的缺陷活性位点及更大的比表面积,进而提升其基于吸脱附机制的快速储能性能。首先将少层石墨烯纳米片阵列(GNS)负载超细ZnO纳米颗粒,然后采用碳热还原法制备出多孔石墨烯纳米片阵列的电极(P-GNS),并将其用于钾离子电池。结果表明,P-GNS可有效地提升钾离子电池的倍率性能,在较大电流密度(3 A·g^(−1))下的容量达到181.6 mAh·g^(−1),在电流密度1 A·g^(−1)下经1000次循环后的容量保持率仍有80.6%,表现出优异的循环性能。全电池在1 A·g^(−1)电流密度下也表现出较好的大倍率性能,循环50次后的容量仍有87.4 mAh·g^(−1)。储能机理研究表明,石墨烯电极造孔可使基于吸脱附电容性储能的活性位点明显增多,进而有效地提升了电池大倍率充放电性能。另外,基于脱吸附的储钾过程不会破坏材料,有利于石墨烯维持结构的稳定,进而大幅提升了电池的循环寿命。本研究为构建石墨烯基快速储能材料,以及发展大倍率长寿命钾离子电池提供了参考。