印度理工学院(IIT) Dipti Gupta课题组----喷墨印刷的环保石墨烯薄膜，用作锂离子电池中的高性能阳极

我们在此报告了使用“绿色溶剂”（即乙醇）和乙基纤维素（作为稳定剂）通过“溶剂剥离”技术从石墨中剥离获得石墨烯纳米片，通过喷墨印刷在不同基板上的大面积连续石墨烯薄膜。印刷薄膜在Ar中进行热退火以提高导电性和孔隙率。薄层电阻随着印刷层数的增加而降低，在8个印刷周期后达到约0.15 kW/sq 的低值。当印刷在铜箔上并直接作为锂离子电池的负极进行测试时，基于“经典”锂化/脱锂和表面电荷存储的双重贡献，可以在 0.1C下获得约942 mAh/g 的高可逆锂存储容量。纳米尺度和多孔性质有助于后者，这也导致了良好的倍率性能，在5C下达到上述可逆容量的40%。此外，即使在相当于2C的相当高的电流密度下，电极在100次循环后仍可保持约87% 的初始可逆容量。总体而言，喷墨印刷的石墨烯薄膜本身是锂离子电池的一种很有前途的负极，其开发可能有助于各种重要应用，包括柔性设备和储能系统。

Figure 1. 石墨烯薄膜电极通过喷墨印刷的制造工艺示意图，用于锂离子电池。示意图描绘了（a）石墨烯墨水、（b）喷墨印刷过程和（c）印刷样品的退火。

Figure 2. （a）石墨和石墨烯/乙基纤维素粉末的X射线衍射(XRD)图。（b）在退火前和退火后条件下石墨烯/乙基纤维素膜的XRD。（c）纯(i)乙基纤维素(EC)薄膜、(ii)预退火石墨烯/EC薄膜和(iii)后退火石墨烯/EC薄膜的FTIR光谱。（d）在退火前和退火后条件下印刷石墨烯薄膜的拉曼光谱。

Figure 3. （a）石墨烯纳米片的原子力显微镜(AFM)图像，以及（b）在边缘获得的高度轮廓。（c）石墨烯薄膜的薄层电阻随印刷循环次数（表示为印刷次数）的变化。（d）电阻DR/R (%) 随聚酰亚胺基板上不同印刷石墨烯层的循环次数的变化。

Figure 4. 在（a）预退火和（b）后退火（在350℃）条件下（在较低和较高放大倍数下）打印的石墨烯薄膜的SEM图。（c）退火前和（d）退火后石墨烯薄膜在较低和较高放大倍数下的TEM图，以及相应的选定区域衍射图。

Figure 5. 使用印刷的预退火和后退火石墨烯薄膜获得的XPS光谱分别显示（a）和（b）C 1s和（c和d）O 1s 光谱。

Figure 6. （a）在前5次电位扫描期间记录的循环伏安图(CV)，扫描速率为0.1 mV/s，在 Li“半”电池中使用印刷石墨烯膜电极。(b)在锂“半”电池中印刷石墨烯膜电极的第1、2和10次恒电流放电/充电循环（电流密度相当于0.1C）期间获得的电位曲线。（c）可逆（脱锂）容量（即，在充电半循环期间）和库仑效率随循环次数的变化，在更高的电流密度下进行，相当于2C。（d）图描绘了在电流密度从0.1C到5C变化的恒电流循环过程中，倍率性能（即可逆容量随C速率的变化）和印刷石墨烯膜电极的相关库仑效率。

Figure 7. （a）用印刷石墨烯薄膜电极在0.1到10 mV/s之间的电位扫描速率下获得的循环伏安图。（b）log(i)与log(n) 曲线图，用于确定对应于~2.6 和~0.25 V的阳极电流响应的参数b的值（作为几个例子）。（c）在用于以一种扫描速率（即5mV/s）进行循环伏安法的整个电位窗口上绘制表面电荷存储（如蓝色填充区域）和扩散控制的大容量存储的相对贡献。（d）电容和扩散对扫描速率的贡献率。

相关研究成果由印度理工学院(IIT) Dipti Gupta课题组于2021年发表在《ACS APPLIED. ENERGY MATERIALS》（https://doi.org/10.1021/acsaem.1c01249）上。