【综述荐读】太原理工大学杨永珍教授＆陕西科技大学苏庆梅教授团队：石墨烯气凝胶复合材料在电化学储能中的应用研究进展

石墨烯网 • 2024年5月28日 09:32 • 科研进展 • 阅读 108

收稿日期：2023–08–25；录用日期：2023–11–03

作者：惠晨柯1,2, 闫翎鹏3.4, 杨未鹏1, 崔晋超1,2, 杨永珍* 1,4, 苏庆梅* 2,杜高辉2, 刘旭光3, 许并社1,2,4

单位：1. 太原理工大学　新材料界面科学与工程教育部重点实验室；2. 陕西科技大学　材料原子•分子材料研究所；3. 太原理工大学　材料科学与工程学院；4. 山西浙大新材料与化工研究院

关键词：石墨烯气凝胶；储能材料；复合材料；储能应用；电化学

高效储能器件与技术成为目前推动清洁能源普及使用的重要角色。其中，电化学储能器件使用方便、不受地域限制、环境污染小、转化效率高、能量密度和功率密度高等优势，对可再生能源的持续利用有着关键性的作用。

金属离子电池（Metal-ion batteries，MIBs）和超级电容器（Supercapacitors，SCs）是电化学储能器件中的典型代表。MIBs工作时，金属离子（如Li+、Na+、K+等）进入电极，在电极材料体相内发生法拉第氧化还原反应，从而转移电荷和存储离子，形成电势差。SCs工作时，大量的离子在电解液中发生迁移，并在电极表面进行吸附/脱附过程，这个过程往往是快速的，且只在电极表面进行，因此SCs具有极大的功率密度（高达104 W·kg-1）和更好的循环稳定性。可见，根据工作机制的不同，当前的储能器件对电极材料的结构和性能提出了严格的要求。

负极材料作为电化学储能器件的关键组成部分，对MIBs和SCs的容量、循环性能、倍率性能及安全性起到至关重要的作用。石墨烯气凝胶（Graphene aerogel，GA）作为一种石墨烯衍生的3D孔道互联材料，具有高比表面积、高孔隙率、高压缩弹性和柔韧性等特点，同时还继承了石墨烯的高导电性和稳定性等，近年来，以GA为基体的储能材料，因其独特的多孔结构、稳定骨架及易修饰性，能够容纳从零维到三维的多种材料（如金属氧化物量子点、纳米线、纳米片和多种形貌的颗粒等），使其在负极材料研究方面展现储非凡的研究潜力。

石墨烯制备

GA是由氧化石墨烯（Graphene oxide，GO）相互交联形成的，GO作为GA的前体材料，主要通过对石墨烯进行氧官能团修饰得到。而GO的堆叠度和易氧化程度皆受到石墨烯品质影响。

目前石墨烯的制备方法总体分为自上而下（氧化还原法、液相剥离法等）和自下而上（化学气相沉积法、有机合成等）两大类。其中自上而下法能够获得多量的少层石墨烯，自下而上法主要通过固定小分子并催化合成得到高品质石墨烯。

石墨烯气凝胶及其复合物的制备

GA一般是通过干燥石墨烯水凝胶来获取的，GO片层上的含氧官能团还原之后，氢键、π-π堆积以及原子配位等作用驱使片层之间相互交联，从而形成水凝胶，进而对水凝胶进行干燥，能够得到孔道丰富和超轻的GA。依据GA的成型方式区分，包括液相还原法、模板法和3D打印等。

石墨烯气凝胶储能应用

负极材料是影响MIBs和SCs器件性能的关键因素，其本征电导率、孔隙结构、形貌特征、理论容量等对器件的实际容量表现、循环寿命、储能效率及其他储能性能能够产生决定性的作用。对于MIBs，多种高理论容量的负极普遍存在电导率低和体积膨胀等问题；且SCs的性能与电极材料的比表面积、导电性和孔隙率等息息相关。GA独特的结构特征赋予其高电导率、大比表面积、高孔隙率、易修饰和纳米分层孔隙等优异特性，凭借这些优势，GA复合材料逐渐在MIBs负极和SCs负极领域受到更多关注。