【導(dǎo)讀】近年來,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)者都開始投入到對(duì)更卓越電極材料的開發(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題，甚至情況更嚴(yán)重，但經(jīng)過石墨烯和電極結(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)能裝置來說，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儲(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)彎曲過程中集流體活性材料分離的問題。
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)重問題。正是這些亟待解決的問題，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。
