美国弗吉尼亚大学机械与航空航天工程系Guanjun Liu等–石墨烯上绿色生长碳纳米管用于高性能锂硫电池

为响应全球脱碳目标而不断扩大的储能市场产生了无数的废物，造成了严重的环境问题。为了解决这一难题，报废电池必须进行二次回收。在这里，我们报告了在石墨烯上生长碳纳米管(CNTs)的全绿色策略。从报废锂离子电池中回收石墨烯，然后通过热解生物质作为碳源，酵母作为催化剂，直接在石墨烯上生长碳纳米管。当用于锂硫电池阴极时，石墨烯提供了一个高导电网络，而碳纳米管提供了高硫负载和体积缓冲，使电池具有高容量、高稳定性和长寿命。碳纳米管/石墨烯结构电池的寿命超过1500次循环，每循环容量衰减率为0.042%，库仑效率稳定在97%以上。全绿色碳纳米管/石墨烯混合物为电池的二次使用提供了新的途径。

图1. 将报废的锂离子电池负极石墨升级回收为石墨烯并在石墨烯上生长碳纳米管以构建锂-硫电池的示意图。

图2.石墨升级回收为石墨烯的表征与建模。

(a) 提纯前再生石墨的SEM图像。(b) 提纯后再生石墨的SEM图像。(c) 升级回收后的石墨烯片的低分辨率TEM图像。(d) 再生石墨和升级回收的石墨烯的XRD谱图。(e)提纯后再生石墨的碳能谱图。(f)升级回收石墨烯片的高分辨率TEM图像。(g) DFT计算H⁺诱导的间距扩展。(h) DFT计算OH^–诱导的间距扩展。

图3. 石墨烯上生长碳纳米管的表征和建模。

(a)碳纳米管/石墨烯混合纳米结构的SEM图像。(b)碳纳米管/石墨烯杂化纳米结构的高分辨率SEM图像。(c)所得CNTs的TEM图像。(d)石墨烯片上碳纳米管的TEM图像。(e)石墨烯片上碳纳米管的高分辨率TEM图像。(f)碳纳米管的点元素检测。(g) 分子动力学模拟显示碳纳米管在石墨烯上以P作为催化剂生长。(h)模拟的碳纳米管外壁层不同碳环的数量，来自MD模拟和实验测量的碳纳米管壁随机选择区域的碳环。

图4. 电池性能表征。

(a)碳纳米管/石墨烯电池的充放电循环。(b)碳纳米管/石墨烯电池CV曲线。(c)碳纳米管/石墨烯电池的EIS图。(d)碳纳米管/石墨烯电池和参考电池的倍率性能。(e)碳纳米管/石墨烯电池的循环性能。

相关研究成果由美国弗吉尼亚大学机械与航空航天工程系Guanjun Liu等人于2023年发表在Materials Today Energy (https://doi.org/10.1016/j.mtener.2023.101389)上。原文：Greenly growing carbon nanotubes on graphene for high-performance lithiumesulfur batteries。