纳米材料致密储能关键技术揭秘

来源：中国科学材料

迅猛发展的电动汽车和3C电子等移动智能终端应用，要求二次电池具有尽量小的体积。换言之，高的体积能量密度（单位体积储存的能量）是实用化高性能电池发展必须要解决的问题。碳材料是重要的电极材料和构建非碳活性物质缓冲网络的关键材料，其高密化是储能器件致密化（致密储能）的重要前提，但是在传统碳材料中高密和多孔不可兼得。

在前期工作中，天津大学杨全红教授课题组（Nanoyang Group）以两亲性氧化石墨烯为结构单元，通过可控组装构建三维网络石墨烯水凝胶，利用溶剂蒸发驱动网络致密化，获得了高密多孔碳，解决了传统多孔碳电极体积容量低的应用瓶颈。

近日，该课题组在Science China Materials上发表文章，对氧化石墨烯凝胶的致密化机理进行了深入探究。作者通过溶剂置换法，巧妙地采用密度、粘度和沸点相近，但表面张力不同的水与1,4-二氧六环分别作为氧化石墨烯凝胶内部溶剂成分来完成毛细蒸发过程，阐明了毛细作用力是溶剂脱出引发石墨烯网络收缩的驱动力。溶剂表面张力决定毛细作用力，因此通过调节溶剂表面张力或采用不同表面张力的溶剂，可以实现“孔”与“密”的收放自如调控，从而得到不同密度和孔隙率的高密多孔碳，实现高密和多孔的连续精确调控。氧化石墨烯水凝胶的毛细收缩也为纳米材料致密化提供了方法论支持。

图 1. （a）以石墨烯为基本结构单元，传统碳材料的两种典型组装模型；（b）石墨烯的三维组装及利用不同溶剂脱除方式获得多孔碳材料。

基于精确可控的毛细蒸发技术实现石墨烯网络的收放自如，杨全红教授课题组进一步提出了构建高体积性能储能器件的设计原则、方法、材料、电极、器件的全链条解决方案，在超级电容器、锂离子电池、锂硫电池、锂空气电池、钠离子电池等体系实现了高体积容量储能材料、电极、器件的构建，为碳纳米材料的实用化奠定了基础，有力推进了基于碳纳米材料的新型电化学储能器件的实用化进程。将凝胶化和致密化的策略推广至MXene等其他二维材料，可解决纳米材料纳米化和高密化二者不可兼得的瓶颈问题，为纳米材料和二维材料在储能器件中的实际应用提供了解决方案。

相关工作发表在Scientific Reports (2013, 3, 2795)、Energy Environmental Science (2015, 8, 1390; 2016, 9, 3135)、Energy Storage Materials (2015, 1, 112; 2017, 9, 134)、Advanced Materials (2015, 27, 8082)、Advanced Energy Materials (2018, 8, 1703438; 2018, 8, 1702395)、Nature Communications (2018, 9, 402)、Advanced Energy Materials (2019, 9, 1900079)、Advanced Science (2019, 6, 1802355)、Energy Storage Materials (2019, 18, 133)、Advanced Functional Materials (2019, 29, 1903960)、Advanced Materials (2019, 31, 1902432)等刊物。

文章信息：

Changsheng Qi, Chong Luo, Ying Tao, et al. Capillary shrinkage of graphene oxide hydrogels. : SCIENCE CHINA Materials; doi: 10.1007/s40843-019-1227-7