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郭再萍教授组最新Small综述:三维石墨烯及其复合结构在储能领域的应用

郭再萍教授组最新Small综述:三维石墨烯及其复合结构在储能领域的应用

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【简介】

郭再萍教授组最新Small综述:三维石墨烯及其复合结构在储能领域的应用

得益于其超高的比表面积、良好的导电性和优异的机械性能等优点,石墨烯在电化学能量存储领域有着广泛的应用。然而,石墨烯层间的π-π作用力和堆叠效应导致了其有效比表面积的损失和电化学性能的降低。构筑由石墨烯纳米片亚单元组成的三维石墨烯结构有利于解决这一问题。三维石墨烯结构不仅直接可以用作自支撑电极材料,而且可以作为基底以负载活性材料来做复合电极材料。近日,澳大利亚University of Wollongong郭再萍教授和Jun Chen教授在Small期刊上发表了题为“Recent Advances in 3D Graphene Architectures and Their Composites for Energy Storage Applications”综述论文,系统论述了三维石墨烯以及基于三维石墨烯的复合结构在能量存储领域的应用,总结了该领域目前取得的进展以及面临的挑战,展望了未来的发展方向。


【文章框架】

郭再萍教授组最新Small综述:三维石墨烯及其复合结构在储能领域的应用

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【图文导读】

郭再萍教授组最新Small综述:三维石墨烯及其复合结构在储能领域的应用

三维石墨烯通常可以由CVD法、GO溶液法和3D打印法制备。CVD方法可以根据不同的基底材料制备不同形貌的高质量三维石墨烯,但是其成本较高并且工艺较为复杂,不适合大规模应用。GO溶液法的灵活较高、可操作空间较大,并且成本较低。3D打印法作为近些年兴起的方法,可以用以大规模制备不同结构的三维石墨烯材料。

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图一. (a) CVD方法制备的石墨烯(泡沫镍基底未去除); (b) 和 (c) CVD方法制备三维石墨烯的不同倍数的SEM照片; (d)-(f) 采用冷冻凝胶成型法制备的超轻超弹性石墨烯整体材料的不同倍数的SEM照片;(g) 镁热还原法制备三维石墨烯示意图; (h) 采用不同浓度氨还原制备的石墨烯气凝胶的照片。

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图二. (a) 3D打印法制备三维石墨烯微晶格示意图; (b) 三维石墨烯微晶格的数码照片和(c) SEM照片。

由于其优异的导电性和机械性能,三维石墨烯材料可以作为锂(钠)离子电池自支撑的负极材料。其表现出了高容量和优异的循环稳定性等优点。然而,由于比表面积大、空隙发达等原因,其首次库伦效率不高;此外,三维石墨烯负极材料没有明显的充放电平台,这就导致了三维石墨烯很难实际使用。

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图三. 三维石墨烯泡沫的 (a) 数码照片和 (b) SEM照片;(c) 三维石墨烯作锂电池负极材料在不同电流密度下的充放电曲线;(d) 三维还原氧化石墨烯的制备方案及其 (e) 储钠性能。

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图四. (a) 高密度多孔石墨烯微泡沫的合成示意图和 (b) HRTEM图,及其 (c) 储钠性能;(d) 由石墨烯水凝胶制备的气凝胶的光学照片;(e) 经过溶液交换法制备的三维石墨烯框架材料;(f) 压缩后的溶液交换法制备的三维石墨烯框架材料的SEM照片,及其储锂应用的 (g) 充放电曲线、(h) 倍率性能和 (i) 大电流长循环性能。

在锂(钠)离子电池领域,三维石墨烯更有前景的的应用方向是作为活性材料的基底。其可以提升活性材料导电性、缓解材料在循环过程中的体积膨胀,从而提升材料的电化学性能。

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图五. (a) V2O5-石墨烯复合气凝胶的制备、(b) 及其SEM照片和储锂性能;(c) Fe3O4-石墨烯三维框架复合材料的制备示意图。

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图六. 碳包覆红磷-石墨烯复合气凝胶示意图及其储钠性能。

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图七. (a) SnO2-石墨烯复合气凝胶的数码照片(插图)和SEM、 (b) HRTEM图,及其 (c) 储钠性能; (d) MoS2-石墨烯复合气凝胶的数码照片(插图)和SEM、 (e) HRTEM图,及其 (f) 不同电流密度下的储钠性能;(g) MoS2-石墨烯复合气凝胶、(h) Sb2S5-石墨烯复合气凝胶、(i) Bi2S3-石墨烯复合气凝胶的SEM照片。

三维石墨烯可以用作锂硫电池正极材料,用于提升硫(或者硫化锂)正极材料的导电性,抑制多硫化物的穿梭效应,从而达到提升锂硫电池电化学性能的目标。

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图八. (a) Li2S8-石墨烯复合气凝胶的数码照片及其 (b) 制备方案和在锂硫电池中的应用; (b) 碳纳米管-石墨烯-Li2S复合正极的制备、及其 (d) SEM图、(e) TEM图和 (f) HRTEM图。

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图九. (a) 碳纳米管-石墨烯复合碳材料做锂硫电池夹层示意图;及其 (b) 制备方案和在锂硫电池中的应用; (b) 石墨烯气凝胶、B/N掺杂石墨烯气凝胶的数码照片以及 (c) 裁剪后的B掺杂石墨烯气凝胶光学照片; (d) Li2S覆盖石墨烯作锂硫电池复合正极示意图。

此外,三维石墨烯还可以作为锂金属电池中负极(金属锂)的集流体和载体。通过减小负极的沉积电流密度和提供锂沉积的空间,三维石墨烯可以有效地抑制锂枝晶生长、提升锂金属负极的电化学性能。

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图十 (a) 应用作锂金属负极集流体的三维交联管状石墨烯结构的光学照片,及其 (b) 和(c) 不同放大倍数的SEM照片; (d) 层状rGO-Li复合负极的制备示意图; (e) LixM-石墨烯复合负极的示意图及其光学照片。

除了以上领域外,三维石墨烯还可以作为双电层电容器的优异的电极材料、以及附在活性物质做为超级电容器的复合电极材料。

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图十一. (a) 三维石墨烯的光学照片和 (b) SEM照片,(c) 及其应用在双电层超级电容器的CV曲线;(d) 氮掺杂三维石墨烯的光学照片和 (e) SEM照片,(f) 及其超级电容器性能; (d) 三维多孔石墨烯的光学照片和 (e) SEM照片,(f) 及其超级电容器性能;

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图十二. (a) 三维MnO2-石墨烯结构的SEM图,及其 (b) 应用在超级电容器的CV曲线及其 (c) 循环稳定性;(d) 三维rGO-聚苯胺复合材料示意图及其 (e) 循环稳定性。


【文献信息】Recent Advances in 3D Graphene Architectures and Their Composites for Energy Storage Applications. Small, 2018, 1803858. DOI: 10.1002/smll.201803858.

供稿丨深圳市清新电源研究院

部门丨媒体信息中心科技情报部

撰稿人丨材料小兵

主编丨张哲旭


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