石墨烯基材料做電極材料的機(jī)遇與挑戰(zhàn)
發(fā)布時(shí)間:2017-05-04 責(zé)任編輯:susan
【導(dǎo)讀】近年來(lái),高性能電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的需求量大幅上升,于是很多學(xué)者都開(kāi)始投入到對(duì)更卓越電極材料的開(kāi)發(fā)和研究中。在這方面,石墨烯基材料吸引了大量目光。由于能提升現(xiàn)有設(shè)備性能,并使下一代設(shè)備更實(shí)用,石墨烯基材料被看作是前景深遠(yuǎn)的高性能電極材料。
盡管石墨烯也面臨同樣問(wèn)題,甚至情況更嚴(yán)重,但經(jīng)過(guò)石墨烯和電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可控組合,還是可以得到高密度石墨烯基電極。此外,在許多情況下,組裝的集成石墨烯基電極不含任何導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑,因此能進(jìn)一步幫助提升體積能量密度。
作為電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的潛在電極材料,石墨烯具有許多其他傳統(tǒng)碳材料和納米碳材料所沒(méi)有的優(yōu)越性。石墨烯物理結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、比表面積大、導(dǎo)電性良好,對(duì)大多數(shù)電化學(xué)儲(chǔ)能裝置來(lái)說(shuō),它幾乎是一種完美材料。
此外,石墨烯的輸出性能也取得了很多令人矚目的進(jìn)步:利用二維層狀結(jié)構(gòu)能構(gòu)建出各種三維結(jié)構(gòu),還具備可調(diào)節(jié)的孔隙結(jié)構(gòu)。我們?cè)谡撐闹芯C述了石墨烯基材料在液態(tài)鋰離子電池、鋰硫電池、鋰氧電池、NIB和SC等方面的應(yīng)用。我們研究發(fā)現(xiàn),將石墨烯應(yīng)用于這些裝置,能大大提高其性能。
石墨烯的幾個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)如下:
1.石墨烯在實(shí)際應(yīng)用于非碳材料時(shí),是一種有利的碳基材。它應(yīng)用容易,比表面積大,使得在其表面實(shí)現(xiàn)其他活性成分的雜交和均勻散布更加容易,這也極大提高了這些成分的利用率。此外,利用石墨烯在兩個(gè)活性粒子甚至是整個(gè)電極間構(gòu)建互聯(lián)的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)也是輕而易舉。這樣的網(wǎng)絡(luò)有助于提高電極的循環(huán)穩(wěn)定性。
2.通過(guò)在裝置中使用石墨烯代替?zhèn)鹘y(tǒng)碳材料,能實(shí)現(xiàn)高體積能量密度。石墨烯為高體積能量密度裝置的組裝提供了潛在解決方案。
3.柔性石墨烯有望制造柔性?xún)?chǔ)能裝置。使用石墨烯及其組件可以制備出具有高度柔韌性的集流體,為我們提供了一種取代脆性金屬集流體的方法。此外,利用石墨烯還能制備出集成柔性電極,有助于解決在反復(fù)彎曲過(guò)程中集流體活性材料分離的問(wèn)題。
除了以上幾點(diǎn),石墨烯相較于傳統(tǒng)碳材料還具有多種優(yōu)越性能,可能有助于促進(jìn)各種新型電池系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用。新近研究報(bào)告指出,高能室溫鈉硫電池通過(guò)碳/硫復(fù)合材料作為電極。我們可以預(yù)料,石墨烯可以進(jìn)一步幫助提升這類(lèi)電池的性能。還有研究發(fā)現(xiàn),石墨烯基復(fù)合材料可作為鋅空氣電池的高效電催化劑。在種種結(jié)果之上,我們不難看出,石墨烯在未來(lái)能源儲(chǔ)存裝置應(yīng)用中的巨大潛力。
盡管石墨烯基材料在電化學(xué)儲(chǔ)能裝置(EESDs)應(yīng)用中具有諸多優(yōu)點(diǎn),其實(shí)際應(yīng)用目前尚未得到充分實(shí)現(xiàn),并且還存在一些嚴(yán)重問(wèn)題。正是這些亟待解決的問(wèn)題,導(dǎo)致石墨烯基材料目前在很多實(shí)際應(yīng)用中受到阻礙。要解決現(xiàn)有挑戰(zhàn),還需要通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究等方式,付出更多努力。相信未來(lái)幾年內(nèi),石墨烯基材料的實(shí)際應(yīng)用將會(huì)取得進(jìn)一步突破,推動(dòng)能源存儲(chǔ)裝置實(shí)現(xiàn)革命性進(jìn)展。
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