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石墨烯基材料有哪些優缺點呢?

鉅大LARGE  |  點擊量:5391次  |  2018年09月07日  

摘要
近年來,高性能電化學儲能裝置的需求量大幅上升,于是很多學者都開始投入到對更卓越電極材料的開發和研究中。在這方面,石墨烯基材料吸引了大量目光。由于能提升現有設備性能,并使下一代設備更實用,石墨烯基材料被看作是前景深遠的高性能電極材料。

近年來,高性能電化學儲能裝置的需求量大幅上升,于是很多學者都開始投入到對更卓越電極材料的開發和研究中。在這方面,石墨烯基材料吸引了大量目光。由于能提升現有設備性能,并使下一代設備更實用,石墨烯基材料被看作是前景深遠的高性能電極材料。

碳材料廣泛應用于不同的儲能設備,并發揮著非常重要的作用。然而,由于多孔碳材料和納米碳材料密度低,高碳含量電極的存儲密度也總是很低,因而造成體積能量密度低。

盡管石墨烯也面臨同樣問題,甚至情況更嚴重,但經過石墨烯和電極結構設計的可控組合,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電劑和粘結劑,因此能進一步幫助提升體積能量密度。

石墨烯基材料被看好,石墨烯基材料做電極材料的機遇與挑戰

作為電化學儲能裝置的潛在電極材料,石墨烯具有許多其他傳統碳材料和納米碳材料所沒有的優越性。石墨烯物理結構穩定、比表面積大、導電性良好,對大多數電化學儲能裝置來說,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步:利用二維層狀結構能構建出各種三維結構,還具備可調節的孔隙結構。我們在論文中綜述了石墨烯基材料在液態鋰離子電池、鋰硫電池、鋰氧電池、NIB和SC等方面的應用。我們研究發現,將石墨烯應用于這些裝置,能大大提高其性能。

石墨烯的幾個顯著優勢如下:

1.石墨烯在實際應用于非碳材料時,是一種有利的碳基材。它應用容易,比表面積大,使得在其表面實現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,利用石墨烯在兩個活性粒子甚至是整個電極間構建互聯的導電網絡也是輕而易舉。這樣的網絡有助于提高電極的循環穩定性。

2.通過在裝置中使用石墨烯代替傳統碳材料,能實現高體積能量密度。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,有助于解決在反復彎曲過程中集流體活性材料分離的問題。

除了以上幾點,石墨烯相較于傳統碳材料還具有多種優越性能,可能有助于促進各種新型電池系統的實際應用。新近研究報告指出,高能室溫鈉硫電池通過碳/硫復合材料作為電極。我們可以預料,石墨烯可以進一步幫助提升這類電池的性能。還有研究發現,石墨烯基復合材料可作為鋅空氣電池的高效電催化劑。在種種結果之上,我們不難看出,石墨烯在未來能源儲存裝置應用中的巨大潛力。

盡管石墨烯基材料在電化學儲能裝置(EESDs)應用中具有諸多優點,其實際應用目前尚未得到充分實現,并且還存在一些嚴重問題。正是這些亟待解決的問題,導致石墨烯基材料目前在很多實際應用中受到阻礙。要解決現有挑戰,還需要通過理論計算和實驗研究等方式,付出更多努力。相信未來幾年內,石墨烯基材料的實際應用將會取得進一步突破,推動能源存儲裝置實現革命性進展。

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