具有多重储能功能的石墨烯包覆的石墨化中空碳球

随着人们对智能电网、电动汽车以及便携式电子设备等高端电子消费品需求的日益增长，以锂离子电池和超级电容器为代表的新型储能器件因其在能量密度、功率密度和循环寿命方面的显著优势，成为储能领域的研究热点。热解碳材料因其良好的热学和电学性质，被广泛用于各类储能器件的电极材料。酚醛树脂（PFR）具有成本低廉、碳含量高、易于制备、热稳定性和机械稳定性优良等优点，适用于构筑各类纳米碳材料。然而，PFR热解碳的石墨化程度低带来的低电导率的问题使其用于电极材料时性能不佳。因此，寻找一种温和方法提高PFR热解碳的石墨化程度具有重要意义。另一方面，石墨烯具有比表面积大、电子电导率高等显著优势，有利于离子和电子快速输运，使得其作为能源设备电极材料具有很大潜力。

为了获得具有优异电化学性能的复合碳电极材料，合肥工业大学从怀萍教授研究组与中国科学技术大学俞书宏教授研究组提出一种仿生模板法设计合成了石墨烯包覆中空PFR热解碳球，并通过化学活化方式提高PFR热解碳的石墨化程度，制备了一种新型的石墨烯包覆的石墨化中空碳球（G-Graphic HCS）。石墨烯外包覆层和中空结构能够有效促进离子扩散，并提供更多的离子存储位点。此外，复合材料中的石墨化部分（石墨烯壳和石墨化碳层）改善了材料的电接触，促进电化学反应的发生。基于上述结构优势，G-Graphic HCS在用于锂离子电池、钠离子电池和超级电容器电极材料时均表现出优异的电化学性能。用作锂离子电池负极材料时，其在0.1 A g^-1的电流密度下循环100圈后仍保有高达935 mA h g^-1的可逆比容量，在1 A g^-1的电流密度下循环1000圈后可逆比容量仍保有595 mA h g^-1；用于超级电容器电极材料时，在0.5 A g^-1的电流密度下比电容高达189 F g^-1，循环5000圈后，电容保持率为96%。此项工作中体现的用于储能纳米结构材料新型设计理念和易于放大的合成方法对面向下一代储能器件的电极材料研发将有良好的启示作用。该工作被选为内封面发表在WILEY出版社旗下ChemNanoMat上（ChemNanoMat, 2016, 2(6), 540-546）。