浙江大學高分子系高超教授團隊針對高質量石墨烯設計中的關鍵參數(shù)“缺陷度、堆疊度、片層連續(xù)度”，提出了一種可量化生產高質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量石墨烯微花的制備。

近日，《先進能源材料》（AdvancedEnergyMaterials）刊發(fā)浙江大學高分子系高超教授團隊使用商業(yè)化的氧化石墨烯為原料，設計制備出高質量石墨烯微花電極材料的相關實驗及研究成果。該論文題為“High-QualityGrapheneMicroflowerDesignforHigh-PerformanceLiCSandAl-IonBatteries”。

近年來,高性能電化學儲能裝置的需求量大幅上升,于是很多學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)有設備性能，并使下一代設備更實用，石墨烯基材料被看作是前景深遠的高性能電極材料。

作為電化學儲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。石墨烯物理結構穩(wěn)定、比表面積大、導電性良好，對大多數(shù)電化學儲能裝置來說，它幾乎是一種完美材料。

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

研究團隊使用商業(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。高溫熱還原修復了石墨烯原子晶格中的缺陷，有效提高了材料的電導率。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，最終形成了平均四層的寡層亂堆疊石墨烯結構。與致密的多層AB堆疊石墨結構相比，這種寡層堆疊結構非常有利于電解質的浸潤和活性物質的均勻分布。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。

當應用于鋰硫電池時，高質量的石墨烯微花-硫復合物的電化學性能超出常用石墨烯-硫復合物，最高達到5.2mAhcm-2的面積比容量。這是因為石墨烯晶格的修復大幅提高了材料的電導率，從而更好地發(fā)揮不導電的活性物質硫的容量。同時石墨烯微花中寡層堆疊的石墨烯片可有效促進納米級硫顆粒在石墨烯片上的均勻分布；其獨特的褶皺結構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。

當用作鋁離子電池的正極時，高質量的石墨烯微花粉末同樣表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學性能，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秒內充滿電，循環(huán)5000次后沒有容量損失。這些優(yōu)異的電化學性能均得益于高質量石墨烯設計中的關鍵參數(shù)：無缺陷的石墨烯晶格提供了更多的活性位點和更高的電導率，寡層堆疊的石墨烯結構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儲能裝置(EESDs)應用中具有諸多優(yōu)點，其實際應用目前尚未得到充分實現(xiàn)，并且還存在一些嚴重問題。正是這些亟待解決的問題，導致石墨烯基材料目前在很多實際應用中受到阻礙。要解決現(xiàn)有挑戰(zhàn)，還需要通過理論計算和實驗研究等方式，付出更多努力。相信未來幾年內，石墨烯基材料的實際應用將會取得進一步突破，推動能源存儲裝置實現(xiàn)革命性進展。相關論文全文發(fā)表在Adv.EnergyMater.Volume7,Issue14,July19,2017（DOI:10.1002/aenm.201700051）上。