基于石墨烯的材料具有一系列獨(dú)特的特性，包括可調(diào)的層間通道、高比表面積和良好的電導(dǎo)特性，使其成為可充電電池電極制備的有前途的選擇材料。鋰離子電池目前主導(dǎo)著商業(yè)可充電電池市場(chǎng)，但其進(jìn)一步發(fā)展受到有限的鋰資源、高昂的鋰成本和有機(jī)電解液安全問(wèn)題的制約。從性能、安全性和成本方面考慮，基于鋅的可充電電池已成為可充電電池的有前途的替代方案。
新加坡南洋理工大學(xué)洪輝祥教授與中國(guó)教授合作綜述，強(qiáng)調(diào)了各種基于石墨烯衍生物及其復(fù)合材料的最新進(jìn)展和發(fā)展，以及在可充電電池中有針對(duì)性地設(shè)計(jì)這些材料的科學(xué)原理，特別是鋰離子電池、鋅空氣電池、鋅離子電池和碘化鋅電池。同時(shí)，文章還總結(jié)了使用有機(jī)廢棄物可持續(xù)生產(chǎn)基于石墨烯的材料、使用添加制造技術(shù)快速制作電池組件以及使用保護(hù)層來(lái)提高陽(yáng)極安全性的展望。相關(guān)研究成果以“Recent Advancements of Graphene-Based Materials for Zinc-Based Batteries: Beyond Lithium-Ion Batteries”為題發(fā)表在《Small》上。
圖1. 從次級(jí)LIB過(guò)渡到次級(jí)ZBB的GBM的整體歷史和優(yōu)點(diǎn)綜述
使用石墨烯來(lái)強(qiáng)化鋰離子電池
鋰離子電池(LIBs)的主要障礙是它們相對(duì)較低的比容量，這限制了它們?cè)陂L(zhǎng)途電動(dòng)汽車行駛和頻繁充電電子設(shè)備中的使用。傳統(tǒng)的電極材料如石墨的理論容量?jī)H為372毫安時(shí)/克。為了解決這一限制，石墨烯及其衍生物被探索作為L(zhǎng)IBs的替代電極材料，因?yàn)樗鼈兙哂袃?yōu)異的電導(dǎo)率和高比表面積。這些基于石墨烯的材料能夠加快Li+離子通過(guò)它們的層間納米孔的擴(kuò)散，并在它們的表面有效地積累電荷。因此，它們顯著提高了LIBs的比容量。
此外，過(guò)渡金屬氧化物/硫化物(TMO/TMS)與基于石墨烯的材料的復(fù)合材料已經(jīng)開(kāi)發(fā)出來(lái)，以進(jìn)一步提高比容量和倍率性能。這些復(fù)合材料提供了更多的電化學(xué)活性位點(diǎn)，增強(qiáng)了電子遷移性，并促進(jìn)了Li+離子的傳輸?？偟膩?lái)說(shuō)，基于石墨烯的材料在LIBs方面的先進(jìn)研究通過(guò)解決低比容量問(wèn)題和增強(qiáng)整體電化學(xué)性能來(lái)提高電池性能。
圖2. 石墨烯衍生物電極用于鋰離子電池的綜述
圖3. TMO/GBM復(fù)合電極用于鋰離子電池的綜述
圖4. 用于LIB的TMS/GBM復(fù)合電極綜述
利用基于石墨烯復(fù)合材料提高鋅離子電池性能
摘要：鋅離子電池(ZIBs)由于鋅的豐富性和經(jīng)濟(jì)性被認(rèn)為是鋰離子電池的有望替代品。然而，ZIBs面臨低比容量和循環(huán)壽命差等挑戰(zhàn)。為了解決這些問(wèn)題，研究人員探索了基于石墨烯的材料。例如，錳氧化物/石墨烯復(fù)合材料通過(guò)減輕錳2+離子溶解來(lái)提高ZIBs的比容量和循環(huán)穩(wěn)定性。氧化釩/石墨烯復(fù)合材料通過(guò)改善電子和離子傳輸來(lái)提高ZIBs的速率能力和循環(huán)壽命。此外，石墨烯與聚苯胺(PANI)等材料的復(fù)合材料通過(guò)提高電導(dǎo)率和電荷轉(zhuǎn)移來(lái)增加比容量。這些基于石墨烯的進(jìn)展提供了增強(qiáng)ZIBs性能的解決方案，使它們成為能源存儲(chǔ)技術(shù)中的有競(jìng)爭(zhēng)力選擇。
科學(xué)原理：基于石墨烯的材料以其出色的電導(dǎo)率和高比表面積，促進(jìn)了離子更快的擴(kuò)散和高效的電荷積聚，從而解決了傳統(tǒng)電極材料的局限性。這些復(fù)合材料的納米尺度工程優(yōu)化了離子傳輸、電子轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，最終提高了電池性能。此外，石墨烯獨(dú)特的性質(zhì)，如通過(guò)氫鍵和π-π相互作用與其他材料互動(dòng)的能力，使復(fù)合材料的創(chuàng)建具有增強(qiáng)特性的可能性，有助于改善能源存儲(chǔ)設(shè)備性能。
圖5. ZIBs用氧化錳/GBM復(fù)合電極綜述
圖6. ZIB用氧化釩/GBM復(fù)合電極綜述
基于石墨烯的技術(shù)革新鋅空氣電池
鋅空氣電池(ZABs)憑借其卓越的理論能量密度，幾乎是鋰離子電池(LIBs)的五倍，具有巨大的潛力。然而，它們面臨著重大障礙，包括氧還原和氧進(jìn)化反應(yīng)(ORR和OER)的緩慢動(dòng)力學(xué)以及傳統(tǒng)電催化劑如鉑(Pt)的不穩(wěn)定性?；谑┎牧系淖钚逻M(jìn)展為解決這些挑戰(zhàn)提供了解決方案。研究人員通過(guò)將非貴金屬如鈷(Co)、鐵(Fe)和鎳(Ni)與石墨烯衍生物相結(jié)合，開(kāi)發(fā)了成本效益高、雙功能電催化劑。這些復(fù)合材料表現(xiàn)出出色的ORR和OER性能，同時(shí)具有改進(jìn)的穩(wěn)定性。例如，錨定在氮摻雜的還原石墨氧化物(rGO)中的基于鈷的納米顆粒顯示出令人印象深刻的結(jié)果，包括高開(kāi)路電壓(OCV)和功率密度。此外，異質(zhì)原子摻雜和金屬有機(jī)骨架(MOF)復(fù)合等策略進(jìn)一步增強(qiáng)了ZABs的電化學(xué)性能。這些創(chuàng)新利用了石墨烯出色的導(dǎo)電性和表面積，解決了傳統(tǒng)ZABs的局限性，使它們成為能源存儲(chǔ)技術(shù)中具有競(jìng)爭(zhēng)力的選擇。
圖7. 以金屬/雜原子摻雜石墨烯衍生物作為ZABs電極的非貴金屬基GBM復(fù)合材料綜述
圖8. 石墨烯衍生物涂層非貴金屬基GBM復(fù)合材料ZABs電極研究綜述
鋅碘電池(Zn-I2B)由于其天然豐富性和高理論容量而具有巨大潛力，但面臨著元素碘(I2)固有電導(dǎo)率差和放電產(chǎn)物高溶解度等挑戰(zhàn)。為克服這一問(wèn)題，研究人員專注于將碘濃縮在多孔基質(zhì)中，包括碳基材料如石墨烯泡沫(GF)。最近，基于石墨烯的材料的最新進(jìn)展被用來(lái)提高Zn-I2B的性能。例如，氮和硫共摻雜的石墨烯泡沫(NSGF)和三維石墨烯狀碳(I2/3DGC)基質(zhì)通過(guò)提供用于穩(wěn)定碘并提高電導(dǎo)率的多孔結(jié)構(gòu)，展現(xiàn)出了增強(qiáng)的電化學(xué)性能。這些基于石墨烯的創(chuàng)新解決了Zn-I2B的局限性，提高了其效率和循環(huán)穩(wěn)定性，使其成為有前途的能源存儲(chǔ)技術(shù)。
圖9. Zn- I2Bs用GBM復(fù)合電極綜述
展望-推進(jìn)基于石墨烯材料的增強(qiáng)型能量?jī)?chǔ)存
本綜述突出了石墨烯基材料(GBMs)在增強(qiáng)鋰離子電池(LIBs)和氧化鋅電池(ZBBs)的能量?jī)?chǔ)存性能方面的最新進(jìn)展。石墨烯及其衍生物在能量?jī)?chǔ)存中具有關(guān)鍵作用，既提供了導(dǎo)電框架又作為儲(chǔ)存介質(zhì)。為了克服它們的低比容量，研究人員探索了其他石墨烯復(fù)合材料，特別關(guān)注過(guò)渡金屬氧化物(TMO)和硫化物(TMS)作為石墨烯衍生物的協(xié)同合作伙伴。這些組合顯著提高了LIBs的比容量，解決了電導(dǎo)率不佳的挑戰(zhàn)。與此同時(shí)，由于具有成本效益和安全性，ZBBs已經(jīng)引起了廣泛關(guān)注。涉及TMO和TMS整合到石墨烯衍生物以及錳和釩氧化物的策略已經(jīng)提高了ZBBs的比容量和循環(huán)壽命。此外，在ZBBs中用非貴金屬基GBMs替代昂貴的貴金屬的努力也顯示出潛力。挑戰(zhàn)包括可持續(xù)獲取GBM材料、用于新ZBBs的快速原型制作以及開(kāi)發(fā)ZBB鋅電極的保護(hù)層?？偟膩?lái)說(shuō)，本綜述預(yù)計(jì)GBMs將在增強(qiáng)LIBs和ZBBs的電化學(xué)性能方面進(jìn)一步創(chuàng)新，可持續(xù)性、計(jì)算設(shè)計(jì)和保護(hù)層將是關(guān)注的重點(diǎn)領(lǐng)域。
原文：https://doi.org/10.1002/smll.202305217
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