【導(dǎo)讀】
多孔石墨烯(hG)是石墨烯的一種結(jié)構(gòu)衍生物。在大多數(shù)體相制備方法中，hG片上的孔優(yōu)先由石墨烯上已有的缺陷產(chǎn)生。因此，hG并不一定比完整的石墨烯更有缺陷。一方面，它保留了石墨烯基本的性質(zhì)，包括高導(dǎo)電性、高表面積、機(jī)械魯棒性和化學(xué)惰性；另一方面，其孔洞結(jié)構(gòu)賦予了hG在未修飾石墨烯中所不具有的獨(dú)特特性，使其在許多應(yīng)用中具有優(yōu)勢，如傳感、膜和電化學(xué)儲能等。特別是，孔洞的存在增強(qiáng)了納米片平面的質(zhì)量傳輸，從而顯著降低了彎曲度。這一差異是在儲能應(yīng)用中使用hG的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢，當(dāng)電極厚度增加以滿足實(shí)際能量密度要求時(shí)，離子通過厚度的傳輸變得更加阻礙。
一個(gè)意想不到的發(fā)現(xiàn)是，hG上的孔可以使干hG粉可以直接被壓縮成堅(jiān)固的整體。hG不僅本身被壓成一個(gè)整體，而且可以作為可壓縮基質(zhì)容納其他電化學(xué)活性材料。這一重要而獨(dú)特的特性，是包括完整石墨烯在內(nèi)的其他碳材料所不具備的，極大地拓寬了儲能應(yīng)用領(lǐng)域。利用干壓縮性，可以方便地制備具有超高質(zhì)量負(fù)載和超高面積容量的電極，而不需要傳統(tǒng)的漿料基電極制備方法中所涉及的有毒溶劑或粘合劑。干壓電極制備過程可以在幾分鐘內(nèi)完成，不受質(zhì)量負(fù)載的限制。相比之下，用于先進(jìn)電池化學(xué)材料的高質(zhì)量負(fù)載電極通常需要嚴(yán)格和耗時(shí)的過程控制。hG還可以與電化學(xué)活性電池材料結(jié)合，同時(shí)保持干壓縮性。這使得對各種厚電極組成和結(jié)構(gòu)的操作變得前所未有的方便，這不僅提供了卓越的性能，而且還為各種電池化學(xué)提供了新的物理見解。
【成果掠影】
近日，馬里蘭大學(xué)胡良兵教授和NASA蘭利研究中心Yi Lin等人發(fā)表了評述性論文，首次提出了hG干壓縮性的一些基本觀察，以及從原子建模的機(jī)理研究合理化這一獨(dú)特的性質(zhì)。然后，作者展示了復(fù)合干壓hG電極在各種儲能平臺的應(yīng)用，包括超級電容器、鋰(Li)離子電池、Li-O2電池和Li-S/Se電池。作者強(qiáng)調(diào)和討論了實(shí)際的質(zhì)量負(fù)載和獨(dú)特的電極結(jié)構(gòu)的厚電極的制備和性能，都是由hG的干壓縮性實(shí)現(xiàn)的。
相關(guān)研究文章以“Scalable Dry-Pressed Electrodes Based on Holey Graphene”為題發(fā)表在Accounts of Chemical Research上。
【核心創(chuàng)新點(diǎn)】
本文對hG的干壓縮性進(jìn)行了詳細(xì)地分析與研究以期在電化學(xué)儲能當(dāng)中發(fā)揮hG的更大優(yōu)勢。
【數(shù)據(jù)概覽】
圖一、示意圖:多孔石墨烯是石墨烯的一種結(jié)構(gòu)衍生物，它增強(qiáng)了穿過平面的質(zhì)量傳輸，從而減少了穿過堆疊的納米片的彎曲度。綠點(diǎn)指的是傳輸質(zhì)量，如離子或分子© 2022 ACS Publications
圖二、多孔石墨烯（hG）的干壓縮性© 2022 ACS Publications
圖三、hG使干壓電極制造成為可能© 2022 ACS Publications
圖四、用于超級電容器的干壓hG電極© 2022 ACS Publications
圖五、鋰離子電池用干壓復(fù)合電極© 2022 ACS Publications
圖六、鋰氧電池的干壓復(fù)合空氣正極© 2022 ACS Publications
圖七、Li-S/Se電池干壓式復(fù)合正極材料© 2022 ACS Publications
【成果啟示】
隨著可擴(kuò)展的制備技術(shù)的可用，hG可能是用于未來的高能量密度電池電極的最有前途的候選碳材料之一，在制備和性能方面都具有優(yōu)勢。以下列舉了一些需要進(jìn)一步研究的挑戰(zhàn):
（1）hG的制備應(yīng)進(jìn)一步改進(jìn)，并針對個(gè)別應(yīng)用量身定制。因?yàn)樵诓煌难趸瘲l件下，可以用不同的石墨烯材料制備hG，其性質(zhì)如含氧量、孔洞大小、原始石墨烯缺陷密度和表面積等可能會有所不同，并在每種應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。后續(xù)的修飾，如無機(jī)或有機(jī)官能化和雜原子摻雜，對特定功能可能是至關(guān)重要的。
（2）hG的空穴邊緣化學(xué)仍有待完全了解。盡管hG在化學(xué)性質(zhì)上與完整的石墨烯有相似之處，但孔邊緣的化學(xué)還沒有被充分利用?？走吿蓟瘜W(xué)的調(diào)控不僅對石墨烯表面性能有重要影響，而且對儲能應(yīng)用的孔傳輸性能也有重要影響。已經(jīng)有關(guān)于hG孔邊緣修飾影響催化和離子傳輸性能的報(bào)道。
（3）干壓hG架構(gòu)需要更多的基本理解和改進(jìn)。例如，干壓hG盤堅(jiān)固但沒有柔性。在結(jié)構(gòu)或制造過程中進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，它們是否能夠得到改進(jìn)并應(yīng)用到柔性器件上還有待觀察。干壓的hG基電極在使用溶劑或液體電解質(zhì)時(shí)也會膨脹。盡管它們保持了良好的電化學(xué)活性，表現(xiàn)出高的面積容量，并對重復(fù)循環(huán)保持機(jī)械穩(wěn)健性，但膨脹可能會在擴(kuò)大電池制造時(shí)構(gòu)成挑戰(zhàn)。
（4）干壓hG的應(yīng)用還有待進(jìn)一步探索。hG已被用于催化、傳感、吸附劑、膜和復(fù)合材料等應(yīng)用，在這些應(yīng)用中，干壓hG可能呈現(xiàn)出獨(dú)特的微環(huán)境。在儲能領(lǐng)域，除了本文所討論的，還有其他幾個(gè)重要的領(lǐng)域，如鋰金屬負(fù)極和固態(tài)電極的應(yīng)用。對于前者，完整的石墨烯已被證明是鋰金屬的優(yōu)良輕質(zhì)宿主，以減少枝晶形成，從而提高可循環(huán)性。干壓hG可以改進(jìn)這種鋰金屬宿主電極的制備。對于后者，由于許多固態(tài)正極盤已經(jīng)通過干壓縮制備，可以合理地預(yù)測，使用hG可以進(jìn)一步促進(jìn)制備，并通過增強(qiáng)各種成分之間的界面接觸提高性能。
原文詳情：Yi Lin*, Christian O. Plaza-Rivera, Liangbing Hu*, and John W. Connell. Scalable Dry-Pressed Electrodes Based on Holey Graphene. Acc. Chem. Res. (2022). https://doi.org/10.1021/acs.accounts.2c00457
本文由景行供稿。
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