一維石墨烯納米線&三維多孔石墨烯“本是同根生”相容共儲能

　　石墨烯一經(jīng)發(fā)現(xiàn)，其理論力、熱、電等性能已經(jīng)可輕松超越許多常規(guī)材料數(shù)倍，同時被學(xué)者也認(rèn)為石墨烯是碳納米管、富勒烯等碳材料的基本組成單元，但石墨烯的很多實(shí)際應(yīng)用還需要利用石墨烯組裝成宏觀石墨烯組裝體，包括一維石墨烯纖維、二維石墨烯薄膜、三維石墨烯等被學(xué)者們廣泛研究。

　　【成果簡介】

　　根據(jù) Nano Energy官網(wǎng)在線發(fā)表的一條最新進(jìn)展，哈爾濱工業(yè)大學(xué)李垚教授（通訊作者）、武漢理工大學(xué)麥立強(qiáng)教授（通訊作者）、黑龍江科技大學(xué)劉曉旭老師（第一作者）聯(lián)合新加坡南洋理工大學(xué)共同合作通過不同尺寸石墨烯的組裝，構(gòu)建了多維石墨烯納米線與三維石墨烯一體全石墨烯柔性電極材料。該材料具有介于石墨與石墨烯之間的晶格特征，其在作為鋰離子/鈉離子電池的負(fù)極材料時，展現(xiàn)了介于石墨與石墨烯之間的充放電平臺，大的比容量，優(yōu)異的倍率性能以及超長的循環(huán)壽命，例如其作為鈉離子電池負(fù)極材料時，在1C倍率下，1000個充放電循環(huán)后，其可逆容量仍能大于300 mAh g-1 ，甚至在20C的倍率下（充放電時間約為6分鐘），其可逆容量仍能大于200 mAh g-1。該全石墨烯電極材料做為石墨烯組裝體家族的新成員，有望在未來柔性輕便穿戴電極材料中一展身手。

　　【圖文導(dǎo)讀】

　　圖1：通過模板自組裝不同尺寸石墨烯制備柔性全石墨烯電極

　　介紹了一種多維石墨烯納米線與三維石墨烯一體化全石墨烯柔性電極材料的合成方法。

　?。╝）利用大尺寸石墨烯包覆在多孔鎳網(wǎng)上，然后利用小尺寸石墨烯與聚苯乙烯微球模板制作混合溶液滴到鎳網(wǎng)微孔中；

　　（b）在鎳網(wǎng)上得到多維石墨烯一體電極材料的前驅(qū)體；

　?。╟-d）不同的退火溫度下結(jié)構(gòu)演變圖，800℃退火取出模板后，刻蝕掉鎳網(wǎng)骨架后得到多維石墨烯納米線與三維石墨烯一體化全石墨烯柔性電極材料。

　　圖2：多維石墨烯納米線與三維石墨烯一體化全石墨烯柔性電極材料的形貌

　?。╝-d）分別為不同條件下獲得全石墨烯柔性電極材料的掃描電鏡圖，表明在適當(dāng)?shù)娜芤簼舛认?，?00度的退火溫度下，可在三維石墨烯壁上獲得尺寸小于100納米的石墨烯納米線；

　　（e）為SEM元素掃描圖，可見鎳網(wǎng)基底對形成石墨烯納米線起決定作用。

　　圖3：多維石墨烯納米線與三維石墨烯一體全石墨烯柔性電極材料的微觀結(jié)構(gòu)

　?。╝-g）為石墨烯納米線TEM圖。結(jié)果表面，小尺寸石墨烯堆疊而產(chǎn)生的石墨烯納米線結(jié)構(gòu)與很多石墨烯組裝體相比具有更高的結(jié)晶度，且石墨烯納米線內(nèi)部還想成了一些介孔結(jié)構(gòu)；

　?。╤-k）石墨烯納米下電極材料的同步輻射小角散射表征，進(jìn)一步證明了一維取向結(jié)構(gòu)的存在；

　　圖4：多維石墨烯納米線與三維石墨烯一體全石墨烯柔性電極材料的XPS、Raman、XRD表征

　?。╝，b）為全石墨烯材料的XPS圖；

　?。╟，d） 為全石墨烯材料的XPS 、Raman、XRD表征；

　　結(jié)果表明，石墨烯納米線結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的還原石墨烯相比具有更優(yōu)異的結(jié)晶性。

　　圖5：多維石墨烯納米線與三維石墨烯一體全石墨烯柔性電極材料的儲鋰特性

　?。╝）充放電曲線；

　?。╞）CV曲線；

　　（c）倍率特征；

　?。╠）循環(huán)穩(wěn)定性。

　　結(jié)果表明石墨烯納米線結(jié)構(gòu)儲鋰性能優(yōu)于傳統(tǒng)的多孔還原石墨烯。

　　圖6：多維石墨烯納米線與三維石墨烯一體全石墨烯柔性電極材料儲鈉特征

　　（a）充放電曲線；

　?。╞）CV曲線；

　?。╟）倍率特征；

　　（d，f）循環(huán)穩(wěn)定性；

　?。╡）電化學(xué)阻抗；

　?。╢） 碳基儲鈉綜合性能對比圖；

　　結(jié)果表明石墨烯納米線結(jié)構(gòu)的綜合儲鈉性能優(yōu)于傳統(tǒng)的多孔還原石墨烯，甚至超越了當(dāng)下眾多全碳基鋰電材料。

　　【小結(jié)】

　　該工作通過對模板自組裝的方法構(gòu)建了多維石墨烯納米線與三維石墨烯一體全石墨烯柔性電極材料，該結(jié)構(gòu)石墨烯材料使得電子可以三維石墨烯表面及石墨烯納米線的直徑方向高速傳輸，由于石墨烯納米線是由小尺寸石墨烯堆疊而成，鋰或鈉離子可以在石墨烯納米線法向高速嵌入與脫出，可見該多維全石墨烯材料可同時提高離子與電子的傳輸，從而實(shí)現(xiàn)了高容量及高倍率共存的鋰/鈉離子電極體系。