浙江大學(xué)高分子系高超教授團(tuán)隊(duì)針對高質(zhì)量石墨烯設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵參數(shù)“缺陷度、堆疊度、片層連續(xù)度”，提出了一種可量化生產(chǎn)高質(zhì)量石墨烯粉體的方法：以商業(yè)化的氧化石墨烯溶液為原料，通過噴霧干燥-高溫還原兩步法即可完成高質(zhì)量石墨烯微花的制備。

近日，《先進(jìn)能源材料》（AdvancedEnergyMaterials）刊發(fā)浙江大學(xué)高分子系高超教授團(tuán)隊(duì)使用商業(yè)化的氧化石墨烯為原料，設(shè)計(jì)制備出高質(zhì)量石墨烯微花電極材料的相關(guān)實(shí)驗(yàn)及研究成果。該論文題為“High-QualityGrapheneMicroflowerDesignforHigh-PerformanceLiCSandAl-IonBatteries”。

近年來,高性能電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的需求量大幅上升,于是很多學(xué)者都開始投入到對更卓越電極材料的開發(fā)和研究中。在這方面，石墨烯基材料吸引了大量目光。由于能提升現(xiàn)有設(shè)備性能，并使下一代設(shè)備更實(shí)用，石墨烯基材料被看作是前景深遠(yuǎn)的高性能電極材料。

作為電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的潛在電極材料，石墨烯具有許多其他傳統(tǒng)碳材料和納米碳材料所沒有的優(yōu)越性。石墨烯物理結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、比表面積大、導(dǎo)電性良好，對大多數(shù)電化學(xué)儲(chǔ)能裝置來說，它幾乎是一種完美材料。

石墨烯具有高導(dǎo)電性、高比表面積、二維連續(xù)結(jié)構(gòu)等特性，可以有效提高多種電化學(xué)儲(chǔ)能材料的性能（如硅負(fù)級，鋰過渡金屬氧化物正極，硫正極，鋰金屬負(fù)極及空氣正極等）。但目前石墨烯在應(yīng)用于電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域時(shí)仍有一些問題。如，化學(xué)氣相沉積法可有效制備低缺陷的單層石墨烯，但在材料的產(chǎn)量及成本控制方面難以滿足能源領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用的需求；而化學(xué)剝離法及機(jī)械剝離法雖然在產(chǎn)量和成本上具有一定優(yōu)勢，但在石墨烯的質(zhì)量方面有所欠缺，從而限制了石墨烯基電極材料的電化學(xué)性能。因此，需要發(fā)展一種低成本可量產(chǎn)制備高質(zhì)量石墨烯的新策略。

研究團(tuán)隊(duì)使用商業(yè)化的氧化石墨烯為原料不僅保證其低廉的成本和公斤級的生產(chǎn)能力，也保證了石墨烯微花在亞微米級尺寸的連續(xù)性。高溫?zé)徇€原修復(fù)了石墨烯原子晶格中的缺陷，有效提高了材料的電導(dǎo)率。而石墨烯微花中的納米級褶皺抑制了高溫還原帶來的片層重新堆疊的效應(yīng)，最終形成了平均四層的寡層亂堆疊石墨烯結(jié)構(gòu)。與致密的多層AB堆疊石墨結(jié)構(gòu)相比，這種寡層堆疊結(jié)構(gòu)非常有利于電解質(zhì)的浸潤和活性物質(zhì)的均勻分布。與目前常用于提高石墨烯基電極性能的雜原子摻雜方法相比，該種無缺陷石墨烯的制備方法在可控性和重復(fù)性上更有優(yōu)勢。此外作為一種粉體材料，這種石墨烯微花可直接采用傳統(tǒng)的商業(yè)化電極涂覆工藝，有利于將來的大規(guī)模電池裝配。

當(dāng)應(yīng)用于鋰硫電池時(shí)，高質(zhì)量的石墨烯微花-硫復(fù)合物的電化學(xué)性能超出常用石墨烯-硫復(fù)合物，最高達(dá)到5.2mAhcm-2的面積比容量。這是因?yàn)槭┚Ц竦男迯?fù)大幅提高了材料的電導(dǎo)率，從而更好地發(fā)揮不導(dǎo)電的活性物質(zhì)硫的容量。同時(shí)石墨烯微花中寡層堆疊的石墨烯片可有效促進(jìn)納米級硫顆粒在石墨烯片上的均勻分布；其獨(dú)特的褶皺結(jié)構(gòu)可起到抑制聚硫離子溶解的作用，從而有效提高硫正極的容量及保持率。

當(dāng)用作鋁離子電池的正極時(shí)，高質(zhì)量的石墨烯微花粉末同樣表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能，超出同類石墨/石墨烯基粉末及塊體材料：在0.1-20Ag-1的電流密度下，正極比容量穩(wěn)定維持在100mAhg-1左右；可在18秒內(nèi)充滿電，循環(huán)5000次后沒有容量損失。這些優(yōu)異的電化學(xué)性能均得益于高質(zhì)量石墨烯設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵參數(shù)：無缺陷的石墨烯晶格提供了更多的活性位點(diǎn)和更高的電導(dǎo)率，寡層堆疊的石墨烯結(jié)構(gòu)有利于電解液的浸潤和離子傳輸，而亞微米級二維連續(xù)的石墨烯片降低了電極電阻。

盡管石墨烯基材料在電化學(xué)儲(chǔ)能裝置(EESDs)應(yīng)用中具有諸多優(yōu)點(diǎn)，其實(shí)際應(yīng)用目前尚未得到充分實(shí)現(xiàn)，并且還存在一些嚴(yán)重問題。正是這些亟待解決的問題，導(dǎo)致石墨烯基材料目前在很多實(shí)際應(yīng)用中受到阻礙。要解決現(xiàn)有挑戰(zhàn)，還需要通過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究等方式，付出更多努力。相信未來幾年內(nèi)，石墨烯基材料的實(shí)際應(yīng)用將會(huì)取得進(jìn)一步突破，推動(dòng)能源存儲(chǔ)裝置實(shí)現(xiàn)革命性進(jìn)展。相關(guān)論文全文發(fā)表在Adv.EnergyMater.Volume7,Issue14,July19,2017（DOI:10.1002/aenm.201700051）上。