綜述！石墨烯氣凝膠在電化學(xué)儲能領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)展

1成果簡介

在全球能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和新能源大規(guī)模接入的背景下，高效電化學(xué)儲能系統(tǒng)的崛起已成為當(dāng)今研究熱點。為解決現(xiàn)有電極材料導(dǎo)電性差、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性弱的問題，石墨烯氣凝膠憑借其優(yōu)異的導(dǎo)電性、超大的比表面積和穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，成為突破現(xiàn)有技術(shù)瓶頸的最佳材料。本文，蘭州理工大學(xué)馮輝霞教授等在《ChemistrySelect》期刊發(fā)表名為“Research Progress on the Application of Graphene Aerogel in the Field of Electrochemical Energy Storage”的綜述，系統(tǒng)綜述了石墨烯氣凝膠研究領(lǐng)域的進(jìn)展，概述了包括原位組裝、化學(xué)交聯(lián)、模板法、3D打印技術(shù)及生物質(zhì)可持續(xù)合成法在內(nèi)的制備方法，這些制備策略均會影響材料微觀結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，本研究深入探討了石墨烯氣凝膠在超級電容器、鋅空氣電池及鋰離子電池中的作用機(jī)制與應(yīng)用前景，重點分析通過構(gòu)建碳材料、共價有機(jī)框架與金屬化合物復(fù)合結(jié)構(gòu)實現(xiàn)性能優(yōu)化的路徑。最后總結(jié)技術(shù)挑戰(zhàn)并展望未來趨勢，為新型高效儲能器件的設(shè)計提供指導(dǎo)。

2圖文導(dǎo)讀

2.1 石墨烯氣凝膠的制備

石墨烯氣凝膠的制備是關(guān)鍵研究領(lǐng)域。方法包括石墨烯水凝膠的制備過程和干燥方法的選擇。在制備過程中，石墨烯水凝膠的不同工藝對最終產(chǎn)品有顯著影響。此外，選擇合適的干燥方法也至關(guān)重要。常見的方法包括大氣干燥、超臨界干燥和凍凍干燥。這些方法可以產(chǎn)生具有不同性質(zhì)的石墨烯氣凝膠。石墨烯氣凝膠的制備方法主要包括原位組裝法、化學(xué)交聯(lián)法、模板法、3D打印技術(shù)、溶膠法以及從生物質(zhì)中可持續(xù)合成法等，如圖1所示。

圖1、石墨烯氣凝膠的制備方法。

2.2 石墨烯氣凝膠在能源儲存中的作用與機(jī)制

儲能技術(shù)對移動應(yīng)用具有重要意義;例如，智能手機(jī)電池需要高能量密度和快充能力。隨著成本的降低和安全性的提升，這些領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)展。超級電容器、鋅空氣電池和鋰離子電池是不可或缺的電化學(xué)儲能裝置，因其巨大的改進(jìn)潛力而備受關(guān)注。石墨烯氣凝膠已被廣泛用于超級電容器、鋅空氣電池和鋰離子電池的功能化。

3小結(jié)與展望

石墨烯氣凝膠從實驗室走向?qū)嶋H應(yīng)用，在制備技術(shù)和電化學(xué)性能方面仍面臨重大挑戰(zhàn)。首先，在材料制備方面，實現(xiàn)低成本、大規(guī)模生產(chǎn)是其工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸。傳統(tǒng)氣凝膠制備主要依賴超臨界干燥工藝，存在能耗高、處理時間長等問題，且無法實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)。針對此現(xiàn)狀，當(dāng)前最前沿的策略聚焦于3D打印技術(shù)與生物質(zhì)可持續(xù)合成法。通過采用天然生物質(zhì)作為碳源或結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑，不僅能大幅降低原料成本，還能實現(xiàn)多級孔隙結(jié)構(gòu)，契合綠色制造趨勢。此外，石墨烯的機(jī)械脆性問題不容忽視。在反復(fù)應(yīng)力條件下，純石墨烯片易發(fā)生結(jié)構(gòu)坍塌。因此構(gòu)建聚合物/碳納米管與石墨烯的“雙網(wǎng)絡(luò)”互穿結(jié)構(gòu)，已成為增強(qiáng)其機(jī)械強(qiáng)度的有效途徑。

在具體儲能應(yīng)用中，不同電池系統(tǒng)對石墨烯氣凝膠提出了差異化性能要求。超級電容器雖在功率密度上具有顯著優(yōu)勢，但其能量密度提升困難。核心問題在于如何在確保高電導(dǎo)率的同時增加高效催化活性位點，并解決石墨烯片層堆疊導(dǎo)致的離子傳輸障礙等問題。在鋰離子電池領(lǐng)域，尤其當(dāng)作為硅、金屬氧化物等正極材料使用時，存在充放電過程中的體積膨脹問題，以及固態(tài)電解質(zhì)界面膜（SEI）難以反復(fù)構(gòu)建的難題。

在鋅空氣電池領(lǐng)域，關(guān)鍵問題在于催化性能與長期穩(wěn)定性。雖然石墨烯氣凝膠具有優(yōu)良的三相反應(yīng)界面，但其內(nèi)部碳材料存在反應(yīng)速率緩慢、在超高電壓下易受電化學(xué)腐蝕等缺陷。當(dāng)前研究一致認(rèn)為，關(guān)鍵解決方案在于通過摻雜雜原子（如氮、硫）或引入特殊官能團(tuán)對石墨烯表面進(jìn)行改性。此舉可調(diào)控表面電子云密度與自旋態(tài)，顯著影響氧還原反應(yīng)（ORR）和氧析出反應(yīng)（OER）的吸附能力。表面改性不僅增強(qiáng)催化劑的雙功能活性，還優(yōu)化了載體關(guān)聯(lián)性，從而有效抑制碳沉積并延長鋅空氣電池循環(huán)壽命。未來工作將結(jié)合低成本大規(guī)模制備與精密功能化技術(shù)，探索石墨烯氣凝膠微結(jié)構(gòu)的精細(xì)化設(shè)計及原子尺度表面調(diào)控。

本文系統(tǒng)綜述了石墨烯氣凝膠的合成方法及其在電化學(xué)儲能領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展。制備方面，原位組裝、模板法等傳統(tǒng)技術(shù)持續(xù)創(chuàng)新；生物質(zhì)可持續(xù)合成法的開發(fā)進(jìn)一步拓展了石墨烯氣凝膠綠色低成本制備路徑。應(yīng)用層面，石墨烯氣凝膠憑借其三維多孔導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，通過雜原子摻雜、金屬氧化物復(fù)合及單原子催化劑集成等策略，滿足超級電容器、鋅空氣電池和鋰離子電池的多元需求，顯著提升電池能量密度與循環(huán)穩(wěn)定性。盡管當(dāng)前大規(guī)模生產(chǎn)與長期穩(wěn)定性仍是其產(chǎn)業(yè)化的瓶頸，但隨著結(jié)構(gòu)-活性關(guān)系研究的深入及工藝技術(shù)的突破，石墨烯氣凝膠有望在下一代高性能儲能器件中發(fā)揮核心作用。

文獻(xiàn)：

https://doi.org/10.1002/slct.202506504Digital Object Identifier (DOI)

來源：材料分析與應(yīng)用