曲良體教授團隊Joule綜述: 石墨烯平臺應用于智能的產電與能量存儲

yuanyukun888 6年前 (2018-01-30) 3987瀏覽

【引言】

化石燃料的枯竭和全球變暖的現實促使人類不斷地探索可再生的能源，期望以可持續發展的方式來滿足人類日益增長的能源需求。傳統的可再生能源，如太陽能、潮汐能、地熱能、水力發電、風力發電等在近幾年發展迅猛，但是其大規模的應用受到了各種限制：（1）傳統可再生的能源需要在特定的地點才能進行高效地工作，例如高輻射區域、巨大的海拔差異、狂風、強潮汐和高地熱梯度的地方；（2）傳統可再生能源的能量輸出不可避免地受到自然環境的影響；（3）并且需要昂貴的大型設備；（4）而且能量輸出系統通常不能對環境的變化做出響應。因此，解決這些問題的關鍵在于開發一種智能、經濟的發電機，能夠及時地對壓力、摩擦力、溫度、濕度、流動液體等外界刺激做出響應。另一方面，儲能設備可以充當發電機動態能量輸出與終端用戶穩定電能需求之間的橋梁。目前常用的儲能器件是可充電的鋰離子電池(LIBs)和超級電容器(SCs)，它們在能量密度和功率密度之間是互補的。例如，LIBs能夠提供高的能量密度達150 – 200 Wh/kg，但功率密度低至1 KW/kg。相反，SCs能提供高的功率密度（10 KW/kg），但是受到了低能量密度（5 – 10 Wh/kg）的困擾。雖然LIBs和SCs已被廣泛應用于便攜式電子設備，電動/混合動力汽車，以及大型能量存儲系統，但是這些傳統的儲能設備仍然面臨著相當大的挑戰。

【成果簡介】

石墨烯因其優異的物理、化學特性受到了廣泛的關注，特別是在產電和儲能領域發揮著巨大的作用。近日，北京理工大學化學與化工學院曲良體教授的綜述論文“Graphene Platforms for Smart Energy Generation and Storage”在Joule雜志上發表。全文分為三個部分：（1）石墨烯的微調控、功能化與自組裝；（2）基于石墨烯的發電機可控地輸出電能應對外界的刺激，如濕氣、流動的液體，摩擦力、壓力和熱；（3）基于石墨烯的智能電池和超級電容器具有非常規的特性，如可形變、可穿戴、可打印、刺激響應、自愈合、一體化、小型化等。北京理工大學曲良體教授和張志攀教授為文章的共同通訊作者，葉明暉博士為第一作者。

【圖文導讀】

圖1：（A）石墨烯的微觀結構調控。通過裁剪2D的石墨烯片子，可以得到0D的石墨烯量子點、1D的石墨烯納米帶和納米網。（B）石墨烯的功能化，包括雜原子摻雜的石墨烯如硼、氮、磷、硫、氟、氯原子等，基于石墨烯的復合物，如石墨烯/聚合物、石墨烯/金屬原子、石墨烯/金屬氧化物、石墨烯/碳化物等。（C）石墨烯的自組裝，如1D的石墨烯纖維/管，2D的石墨烯膜，和3D的石墨烯泡沫。

圖2：（A–D）氧化石墨烯膜，（E）氧化石墨烯納米帶，和（F）氧化石墨烯纖維能產生電能對濕氣的響應。

圖3：單層的石墨烯發電機對移動的液滴（A–B）或流動液體（C–F）的響應。

圖4：（A–C）宏觀的石墨烯膜和（D–E）石墨烯泡沫發電機對流動液體的響應。

圖5：基于石墨烯的發電機對摩擦力的響應。

圖6：基于石墨烯的發電機對壓力的響應。

圖7：基于石墨烯的發電機對熱的響應。

圖8：基于石墨烯的柔性電池（A–E）和可拉伸電池（F–H）。

圖9: 3D打印的石墨烯微電池。

圖10: 基于石墨烯的智能電池對壓力（A–D）和濕氣（E–G）的響應。

圖11: 基于石墨烯的自愈合電容器（A–B）和電致變色的微電容器（C–F）。

圖12: 基于石墨烯的一體化電容器。

文獻鏈接：Graphene Platforms for Smart Energy Generation and Storage (Joule 2017, DOI: 10.1016/j.joule.2017.11.011).

Joule 簡介

  • Joule, a sister journal to?Cell,?is a home for outstanding and insightful research, analysis and ideas addressing a key global challenge: the need for more sustainable energy.
  • Jouleis a distinctive and forward-looking journal, bridging disciplines and scales of energy research.?Joule?connects all who are researching and analyzing the challenges — scientific, technical, economic, policy and social — of providing sustainable energy solutions.
  • Joulespans scales of energy research, from fundamental laboratory research into energy conversion and storage up to impactful analysis at the global level.
  • Joulewill purposefully highlight and amplify the implications, challenges and opportunities of novel energy research for different groups working across the entire spectrum of the field.

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本文由曲良體教授團隊供稿，blank編譯，材料牛編輯整理。

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