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西安交大邵金友教授團隊 Matter：煮茶葉的方法實現(xiàn)規(guī)模化制備致密渦輪狀石墨烯，實現(xiàn)高密度電容儲能
2023-10-17  來源：高分子科技

  大規(guī)模制備具有高密度和高離子電導率的電極對于高體積能量和功率密度緊湊型電容式儲能技術至關重要，但也極具挑戰(zhàn)性，因為高密度和高離子電導通常難兼顧。特別是以石墨烯為代表的二維材料，在毛細力和π-π相互作用下傾向于致密平行堆疊，導致離子難以有效進入層間、離子擴散路徑長且曲折，限制了石墨烯電極的高能量和高功率能力。這一問題在大厚度電極上尤為明顯，制約了石墨烯電極在儲能領域的實際應用。


  近期，西安交通大學李祥明、邵金友教授團隊受沸騰茶水中茶葉隨水流運動啟發(fā)，提出一種在暴沸溫度下通過湍流流動和各向同性毛細壓縮制造致密渦輪狀石墨烯的高效方法：利用流場誘導石墨烯片層取向，毛細壓縮提高材料密度，成功地解決了高密度和高離子導電率之間的調(diào)控問題，并實現(xiàn)了材料公斤級制備（圖1）。渦輪石墨烯片層分布與流場方向一致（圖1B, C），取向散布在0-180度之間，同時有效避免了石墨烯緊密堆疊。制備的渦輪石墨烯相比于疊層石墨烯電極具有更高的離子傳輸能力和更優(yōu)的電化學儲能特性（圖2, 4）。同時受石榴籽和石榴皮結(jié)構啟發(fā)，提出“多核致密組裝”方案：疏水性的機械剝離石墨烯（EG）作為“石榴籽”，充當氧化石墨烯（GO）組裝過程中的形核中心和間隔物，在微米尺度進一步調(diào)控石墨烯片層取向，避免石墨烯緊密疊層，保障了石墨烯活性位點的充分利用和離子快速遷移；同時，親水性的GO作為“石榴皮”，在毛細作用下壓縮蓬松的EG，顯著提升了材料密度。渦輪石墨烯的取向、孔隙率和材料密度可通過調(diào)整前驅(qū)體比例在一定范圍內(nèi)調(diào)控（圖3），并顯示出不同的電化學性能表現(xiàn)（圖5），賦予其在儲能、過濾等不同應用領域的靈活性和可行性。該研究為批量化制備高性能二維材料及電極提供了方向，有助于加速二維材料在儲能領域的應用。該工作以 “Scalable fabrication of turbostratic graphene with high density and high ion conductivity for compact capacitive energy storage”發(fā)表在國際知名期刊Matter上。文章第一作者是西安交通大學博士生李聰明。該研究得到國家自然科學基金委的支持。


圖1. 批量化制備高密度渦輪石墨烯


  本文提出利用沸騰流體中湍流流動產(chǎn)生的流場驅(qū)動石墨烯片層取向，實現(xiàn)石墨烯片層由平行、有序疊層向渦輪狀排列的轉(zhuǎn)變。取向后的石墨烯片層分布與流場分布高度一致（如圖1 B, C）。為了解決高密度和高離子電導率不兼容問題，進一步引入毛細壓縮效應，從微觀尺度提高電極密度。同時受石榴籽和石榴皮結(jié)構啟發(fā)，提出“多核致密組裝”方案：疏水性的機械剝離石墨烯（EG）作為“石榴籽”，充當氧化石墨烯（GO）組裝過程中的形核中心和間隔物，在微米尺度進一步調(diào)控石墨烯片層取向，避免石墨烯緊密疊層，保障了石墨烯活性位點的充分利用和離子快速遷移；同時，親水性的GO作為“石榴皮”，在毛細作用下壓縮蓬松的EG，顯著提升了材料密度。


圖2 渦輪石墨烯與疊層石墨烯對比


  疊層石墨烯片層取向集中在0度（平行于集流體）附近，渦輪石墨烯片層取向散布在0~180度之間。XRD結(jié)果顯示，疊層石墨烯峰強度遠高于渦輪石墨烯，且特征層間距更小，表明渦輪石墨烯有效緩減了石墨烯緊密疊層。渦輪石墨烯離子擴散能力提高了5.4倍，顯著提升了石墨烯電極在儲能器件中的性能表現(xiàn)。


圖3 結(jié)構可調(diào)的渦輪石墨烯


  通過調(diào)控前驅(qū)體配比，可以在一定范圍內(nèi)調(diào)控渦輪石墨烯的片層取向、孔隙率和密度，實驗結(jié)果表明，通過增加GO比例，可顯著提高材料密度；通過增加EG含量，可有效緩減石墨烯疊層，暴露更多活性位點。材料結(jié)構調(diào)控的靈活性賦予了本方案在不同應用領域的靈活性和可行性。


圖4 渦輪石墨烯與疊層石墨烯儲能特性對比


圖5 結(jié)構可調(diào)渦輪石墨烯電化學性能


圖6 柔性軟包固態(tài)石墨烯超級電容


  渦輪石墨烯展示出優(yōu)異的儲能特性。相比疊層石墨烯，渦輪石墨烯展現(xiàn)出更高的離子電導率、容量和更好的倍率特性，同時兼具高密度。同時，通過改變前驅(qū)體比例調(diào)控渦輪石墨烯微結(jié)構，可對材料電化學性能進行調(diào)控，本文系統(tǒng)闡述了材料微觀結(jié)構、電極宏觀形貌及器件電化學性能之間的關系。渦輪石墨烯電極密度可達 1.12 g cm-3，體積電容可達 234 F cm-3，電芯能量密度可達 83.2 Wh L-1，功率密度可達 14 kW L-1，是電容儲能領域的一個里程碑。以渦輪石墨烯電極制備的軟包固態(tài)超級電容單體，具有多種輸出選擇，在彎折狀態(tài)下無漏液，展示了渦輪石墨烯電極在柔性儲能器件制造方面的潛力。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2023.09.009


【通訊作者簡介】


  李祥明教授簡介：西安交通大學教授，博士生導師，國家優(yōu)秀青年科學基金獲得者，國家重點研發(fā)計劃青年科學家項目首席。2014年博士畢業(yè)于西安交通大學并留校任教，獲中國機械工程學會“上銀優(yōu)秀博士論文”銀獎，入選中國科協(xié)“青年人才托舉工程”，2021年破格晉升教授。長期從事微納制造及能源儲能方面的研究工作。以第一/通訊作者在Nature Communications., Matter, Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater. 等學術刊物上發(fā)表研究論文40余篇，擔任《國家科學進展》（National Science Open, NSO）編委、《Biomicrofluidics》青年編委、微納執(zhí)行器與微系統(tǒng)分會理事、陜西省納米科技學會理事，獲教育部自然科學獎一等獎1項。


  邵金友教授簡介：西安交通大學科研院常務副院長、國家杰出青年科學基金獲得者。國家自然科學基金“納米制造的基礎研究”重大研究計劃集成項目首席、國家重點研發(fā)專項項目首席，擔任國家第六次科技預測（2020-2035規(guī)劃）極端制造領域?qū)＜、十四五國家重點研發(fā)計劃“高性能制造技術與重大裝備”重點專項指南專家。主要從事微納制造、柔性電子、仿生制造、儲能器件制造等方面的研究工作，近年來在《Nature Communications》、《Science Advances》、《Advanced Materials》等高水平期刊發(fā)表論文160余篇，SCI他引約3100余次，獲得教育部自然科學獎一等獎、教育部技術發(fā)明一等獎，陜西省高校科學技術研究特等獎。


  下載：Scalable fabrication of turbostratic graphene with high density and high ion conductivity for compact capacitive energy storage

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（責任編輯：xu）
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