成果简介
利用石墨烯气凝胶作为载体，由于其独特的属性，为提高储能材料的能量密度、导热性和稳定性提供了创新途径。本文，北方工业大学宋杰人 等研究人员在《Phys. Chem. Phys》期刊发表名为“Thermal transport properties of graphene aerogel as an advanced carrier for enhanced energy storage”的论文，研究采用分子动力学模拟方法研究了基于石墨烯气凝胶的复合硫正极材料和相变材料的热输运性能。建立了石墨烯气凝胶模型，研究了硫和十八烷含量对石墨烯气凝胶和石墨烯气凝胶基复合材料热输运性能的影响。建立了传热理论模型，分析了填料和石墨烯气凝胶对复合材料热导率的贡献。结果表明，理论分析模型与分子动力学结果吻合较好，特别是在填料含量高的情况下。本研究为理解石墨烯气凝胶基复合硫正极材料和相变材料的热输运性能提供了有价值的理论指导。
图文导读
图1 (a) 碳气凝胶模型的创建过程，它经历了膨胀、加热-冷却和平衡三个阶段。(b) 在 GA 中随机封装硫环（S8）和十八烷链（C18H38），形成硫和石蜡负载 GA 的微结构模型。硫原子被染成黄色，而十八烷中的碳原子和氢原子分别被染成红色和白色。GA 中的碳原子被染成青色。(c) 计算模型。
图2、 （a） CA-1、CA-2、CA-3和CA-4的4种碳气凝胶模型，分别对应1000、2000、3000和4000 K的最高反应温度。（b） sp 和 sp2CA-1、CA-2、CA-3 和 CA-4 中的碳含量。（c） CA-1、CA-2、CA-3和CA-4的碳-碳键长度分布。（d） CA-1、CA-2、CA-3和CA-4中的六方碳环数量和孔隙度。孔隙率定义为孔隙体积与整个模型体积的比率。
图3、 （a） GA中嵌入的硫和十八烷不同质量分数的模型。硫的质量分数分别为20%、40%、60%和80%，十八烷的质量分数分别为10%、20%、30%和40%。不同硫和十八烷填料含量对GA的（b） TC、（c）密度、（d）粘附能和（e）原子应力分布因子的影响。
图4、 （a） 硫含量为40%和80%，十八烷含量为20%和40%的GA中归一化原子热流的分布。所示模型是通过沿x方向对每个相应的原始模型进行切片并选择 1/5 截面来获得的。（b） 不同硫和十八烷填料含量对GA原子热流分布因子的影响。
图5. （a） 不同硫含量对S/GA的TC的影响。（b） 不同十八烷含量对O/GA的TC的影响。（c）GA中的孔隙模型与嵌入40%填料后复合材料中的孔隙模型的比较。（d） 不同填料含量下孔隙效应因子的变化。
小结
本研究利用分子动力学方法建立了4种碳气凝胶微观模型，并表征了模型的微观结构特征，如碳原子类型、碳-碳键长度、碳环数和孔隙率。比较了这些模型的传热特性。此外，还研究了硫和十八烷含量对石墨烯气凝胶和石墨烯气凝胶基复合材料热输运性能的影响。基于这些发现，建立了传热理论模型来分析填料和石墨烯气凝胶对复合材料热导率的贡献。
结果表明，由于声子的软化，石墨烯气凝胶具有较低的热导率。随着嵌入硫的增加，石墨烯气凝胶的热导率先下降，然后略有上升，然后显着下降。对于硫/石墨烯气凝胶复合材料，热导率先降低后增加。另一方面，随着十八烷含量的增加，石墨烯气凝胶的导热系数先降低，然后保持稳定，之后略有增加。相比之下，十八烷/石墨烯气凝胶复合材料的热导率先趋于稳定，然后显著上升。这种导热率的趋势可归因于石墨烯气凝胶上不同含量的硫和十八烷之间的可变相互作用。理论分析模型与分子动力学结果非常吻合，特别是在填料含量高的情况下。尽管在低填料含量下可能存在偏差，但该模型仍然是整体热传导行为的有用近似值，强调快速评估和设计优化的简单性、可解释性和有效性。本研究为理解石墨烯气凝胶基复合正极和相变材料的热输运特性提供了有价值的理论指导。
文献：https://doi.org/10.1039/D3CP05078E
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