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北航张世超/清华周光敏团队《ACS Nano》综述：柔性锂硫电池中“神通广大”的石墨烯材料
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北航张世超/清华周光敏团队《ACS Nano》综述：柔性锂硫电池中“神通广大”的石墨烯材料

北航张世超/清华周光敏团队《ACS Nano》综述：柔性锂硫电池中“神通广大”的石墨烯材料 科学材料站
2021-09-19
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导读：该综述介绍了石墨烯基材料在柔性锂硫电池的关键组件（硫正极、多功能中间层与锂负极）的最新进展


文 章 信 息

Graphene-Based Materials for Flexible Lithium−Sulfur Batteries
第一作者：杨天，夏军
通讯作者：张世超*，邢雅兰*，周光敏*
单位：北京航空航天大学，清华-伯克利深圳学院
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研 究 背 景

在过去的几十年中，人们对开发兼具高稳定性与理想能量密度的柔性锂硫电池先进材料的兴趣日益浓厚。其中，石墨烯材料由于其比表面积大，重量轻，柔韧性好和导电性强而成为一种理想的选择。
石墨烯材料已被证明可作为柔性锂硫电池组件，包括锂负极和硫正极的集流体、多功能中间层等。鉴于石墨烯材料在柔性锂硫电池中的巨大应用前景，本文介绍了这一快速发展领域的最新进展。

文 章 简 介

在这里，北京航空航天大学张世超教授、邢雅兰副教授联合清华大学周光敏副教授在国际著名期刊《ACS Nano》上发表题为 “Graphene-Based Materials for Flexible Lithium−Sulfur Batteries” 的综述文章。
该综述介绍了石墨烯基材料在柔性锂硫电池的关键组件（硫正极、多功能中间层与锂负极）的最新进展。在每一部分中特别关注于石墨烯基材料的结构设计、石墨烯功效、界面调控与电池布局，以实现同时兼备柔性、能量密度与循环稳定性的柔性锂硫电池。
图1. 石墨烯基材料在柔性锂硫电池中的应用

文 章 要 点

要点一：不同石墨烯基复合/杂化材料中的石墨烯构型
  • 石墨烯作为材料基底——有效调控产物在固-液界面沉积/溶解过程，以延长循环寿命，但连续的界面不可避免产生多余内阻
  • 石墨烯作为材料框架——构筑具有快速电子/离子传递的三维网络和多孔结构，同时避免应力集中，但体积庞大的三维框架成本较高
  • 石墨烯作为材料改性剂——通过少量石墨烯薄片或石墨烯涂层提高传统柔性电极的性能参数，石墨烯利用率较高，但通常需要复杂的多步合成
  • 石墨烯作为多相材料第二相与第三相的桥梁——保证第二相与其他功能相间快速电荷传输，提高复合材料整体稳定性，但制备条件较苛刻


要点二：柔性锂硫电池发展的激励因素
  • 柔性：电池各组件所承受的极限应变与组件间的界面连接
  • 比能量密度：体积能量密度与质量能量密度同样重要，同时，柔性与能量密度往往相互制约，要开发兼具高柔性与高能量密度的储能体系
  • 耐久度：结合抗疲劳强度与电化学循环稳定性，包括静态弯折下电池循环与循环弯折下的电池循环。

要点三：石墨烯基材料在柔性锂硫电池关键组件中应用
（1）硫正极
通过 “面外修饰”与“面内修饰”可以实现不同结构与特性的柔性石墨烯（图2）。另外，石墨烯的相容性可与其他材料协同作用，同时满足柔性硫正极对载硫率、循环寿命与力学性能的要求。
在硫正极中，采用不同结构与特性的石墨烯基材料作为三维集流体代替传统金属集流体，利用大比表面积充分与硫接触提高其利用率，避免应力集中，同时构筑稳定的导电网络。
图2. 石墨烯基柔性正极设计示意图

（2）多功能中间层
同时兼具“阻挡作用”与“催化作用”的石墨烯基多功能中间层通过提高硫利用率而实现高载硫正极的应用（图3）。因此，看似冗余的中间层并不会影响能量密度/比容量。
另外，中间层的设计相对独立，理论上可以适应多种结构硫正极，加快柔性锂硫电池工业化。
图3. 多功能石墨烯基中间层在柔性锂硫电池中的示意图

（3）锂负极
减少锂负极质量是柔性锂硫电池实用化的发展要求，但限锂条件下会加剧锂枝晶、多硫化物腐蚀等锂负极问题。石墨烯基底可以调控锂的均匀沉积与稳定SEI膜的形成，增强柔性锂硫电池循环稳定性。

要点四:总结与展望
本文综述了石墨烯材料在柔性锂硫电池中的最新应用进展。由于石墨烯材料具有理想的结构特性和多种功能，因此石墨烯基材料修饰的锂负极和硫正极在电化学和机械性能方面取得了显着进展。考虑到柔性锂硫电池的性能需进一步提高以实际应用，寄希望在以下方向进行更多的探索：
  • 优化全电池的柔性
    目前柔性锂硫电池的研究多局限于“可弯曲性”，反复机械变形后的稳定性同样重要。三维集流体（如三维多孔石墨烯骨架）更利于弯曲过程中应力分散，同时硫在三维网络中的分布均匀性也与电极能否承受反复弯折直接相关。

  • 提高实际能量密度
    高载硫率通常意味高E/S比与总体动力学的迟缓，从而导致低硫利用率。硫利用率最大化的前提是每个硫分子尽量与吸附/催化框架相接触，发展在石墨烯片层上负载单分子硫层是理论可行的制备兼具高载硫率与硫利用率的方向。

  • 关注柔性锂硫电池配套设施
    除了电极设计，电池封装应收到更多关注，传统软包电池用铝塑膜重量大，拉伸性有限。可拉伸聚合物是理想替代品，但需关注对水/空气/电解质的防护性以及与皮肤的生物相容性。另外，整体器件的机械变形下电池与外电路的连接稳定性同样需要关注。

文 章 链 接

Graphene-Based Materials for Flexible Lithium−Sulfur Batteries
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c03183?ref=pdf

通 讯 作 者 简 介

张世超，北京航空航天大学教授、博导，国家重点研发计划项目负责人。
主要从事高性能锂离子电池、锂硫电池、锂空电池和超级电容器等新型化学电源关键材料与器件研究工作，先后主持五项国家863计划课题、九项国家自然科学基金项目、两项国家973重大科学研究计划项目和一项国家国际科技合作计划项目的研究工作。创新性地提出了三维集流体与三维电极概念，先后主持两项锂二次电池的国家973计划项目和我国第一个锂硫电池的863计划项目，构建了多体系高比能柔性储能器件。在Adv. Mater.、ACS Nano、Adv. Energy Mater.、Adv. Func. Mater.、Nano Energy、EnSM. 等高水平刊物上发表论文二百余篇，荣获部级二等奖多项。

邢雅兰，北京航空航天大学副教授。
主要研究锂二次电池高性能电极材料及器件，聚焦于三维微纳结构高效电极材料的设计制备及性能优化。在国内外期刊上发表SCI论文60余篇。曾获中国电子学会科学技术奖二等奖（2/5）、北京市自然科学奖二等奖（3/8）。获评北航青年拔尖人才，承担了国家自然科学基金、北京市自然科学基金、航天科技基金等，参与国家重点研发计划、领域基金、国家973计划等多项课题。

周光敏, 清华-伯克利深圳学院副教授。
主要研究方向为电化学储能材料与器件，已发表论文130余篇，其中第一作者及通讯作者论文包括Nature Nanotechnology，Chemical Reviews，Nature Communications，Science Advances，PNAS，Advanced Materials等。论文被引用 24800多次，H-index为64，2018-2020连续3年入选科睿唯安全球高被引科学家。担任期刊Energy Storage Materials科学执行编辑，获得包括国家海外高层次人才（青年）、广东省材料研究学会青年科技奖、能源存储材料青年科学家奖、中国科学院院长特别奖、中国科学院优秀博士论文、Carbon Journal Prize等奖励。


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