石墨烯电化学储能技术

石墨烯是碳的同素异形体大家族的又一个传奇，也是当今横跨学术界和产业界的超级明星，几乎到了家喻户晓、妇孺皆知的程度。当然，石墨烯是当之无愧的。作为由单层碳原子构成的蜂窝状二维原子晶体材料，石墨烯拥有无与伦比的特性。理论上讲，它是导电性和导热性较好的材料，也是理想的轻质高强材料。正因如此，一经问世便吸引了全球范围的关注。石墨烯有可能创造一个全新的产业，石墨烯产业将成为未来全球高科技产业竞争的高地，这一点已经成为国内外学术界和产业界的共识。从2004年至今，已经有了近十六年的历史沉淀。无论是石墨烯的基础研究，还是石墨烯材料的产业化实践，人们都有了更多的一手材料，更有可能对石墨烯材料有一个全方位套丛书出的、科学的、理性的认识。总结历史，是为了更好地走向未来。对于新兴的石墨烯产业来说，战略前沿新材料——石墨烯出版工程的出版意义也是不言而喻的。事实上，国内外已经出版了数十部石墨烯相关书籍，其中不乏经典性著作。本丛书的定位有所不同，希望能够全面总结石墨烯相关的知识积累，反映石墨烯领域的国内外前沿研究进展，展示石墨烯新材料的产业化现状与发展前景，尤其希望能够充分体现国人对石墨烯领域的贡献。本丛书共包括22分册，执笔作者20余位，都是石墨烯领域的重量级学者、专家，因此可以从源头上保障丛书的专业性和科学性。丛书分五大部分，囊括了从石墨烯的基本性质和表征技术，到石墨烯材料的制备方法及其在不同领域的应用，以及石墨烯产品的计量检测标准等全方位的知识总结。同时，两份产业研究报告详细阐述了世界各国的石墨烯产业发展现状和未来发展趋势。除此之外，丛书还为广大石墨烯迷们提供了一份科普读物《有问必答：石墨烯的魅力》，针对广泛征集到的石墨烯相关问题答疑解惑，去伪求真。本丛书的内容涵盖石墨烯新材料的方方面面，每个分册也相对独立，具有很强的系统性、知识性、专业性和即时性，凝聚着各位作者的研究心得、智慧和心血，供不同需求的广大读者参考使用。希望丛书的出版对中国的石墨烯研究和中国石墨烯产业的健康发展有所助益。

1章　绪论001
1.1 电化学储能技术003
1.1.1 简介003
1.1.2 电化学储能面临的机遇与挑战004
1.2 石墨烯的发现与制备006
1.2.1 石墨烯的发现006
1.2.2 石墨烯的性质007
1.2.3 石墨烯的制备技术008
1.3 生逢其时———石墨烯在电化学储能领域的应用009
1.3.1 碳与石墨烯009
1.3.2 石墨烯用于储能的研究进展010
1.3.3 石墨烯基材料与电极的组装策略011
1.3.4 石墨烯的使命012
参考文献014
第2 章　石墨烯在超级电容器中的应用017
2.1 超级电容器概述019
2.1.1 分类与储能机理020
2.1.2 应用领域022
2.2 石墨烯基超级电容器的设计023
2.2.1 石墨烯基双电层电容器023
2.2.2 石墨烯基赝电容器030
2.3 石墨烯作为模板构建超电容材料032
2.4 基于石墨烯组装体的电极材料的构建033
2.4.1 一维石墨烯基组装体034
2.4.2 二维石墨烯基组装体036
2.4.3 三维石墨烯基组装体037
2.5 应用前景展望041
参考文献042
第3 章　石墨烯在锂离子电池中的应用047
3.1 锂离子电池简介049
3.1.1 发展历史049
3.1.2 机遇与挑战051
3.2 锂离子电池正极052
3.2.1 石墨烯导电添加剂053
3.2.2 石墨烯基复合物作为锂离子电池正极材料062
3.3 锂离子电池负极067
3.3.1 石墨烯在锂离子电池负极中的应用070
3.3.2 石墨烯/非碳复合材料作为锂离子电池负极073
3.4 其他应用078
3.5 材料设计展望080
参考文献081
第4 章　石墨烯在锂硫电池中的应用089
4.1 锂硫电池简介091
4.1.1 特点091
4.1.2 工作机理092
4.1.3 面临的挑战093
4.2 石墨烯在正极结构设计中的应用094
4.2.1 石墨烯/硫复合正极材料095
4.2.2 石墨烯/硫/碳复合正极098
4.2.3 石墨烯/硫/聚合物复合正极材料100
4.2.4 石墨烯/硫/无机颗粒复合正极材料101
4.2.5 石墨烯/Li2S复合正极材料104
4.3 石墨烯在锂硫电池隔膜中的应用106
4.3.1 石墨烯及其衍生物修饰隔膜106
4.3.2 石墨烯/碳材料修饰隔膜109
4.3.3 石墨烯/有机物修饰隔膜111
4.3.4 石墨烯/无机物修饰隔膜113
4.4 锂硫电池催化114
4.4.1 过渡金属化合物催化剂116
4.4.2 单原子催化剂117
4.4.3 异质结构催化剂119
4.5 结论与展望120
参考文献121
第5 章　石墨烯在锂空气电池中的应用125
5.1 锂空气电池概述127
5.1.1 锂空气电池的特点127
5.1.2 锂空气电池的工作机理128
5.1.3 锂空气电池存在的问题129
5.2 锂空气电池正极催化剂材料的研究进展130
5.3 石墨烯在锂空气电池电极材料中的应用133
5.3.1 石墨烯基正极催化剂133
5.3.2 石墨烯/其他组分复合材料基正极催化剂139
5.4 应用前景与展望145
参考文献148
第6 章　石墨烯在钠离子电池中的应用151
6.1 钠离子电池技术概述153
6.2 石墨烯在钠离子电池电极材料中的应用156
6.2.1 石墨烯用作钠离子电池负极材料156
6.2.2 石墨烯负极界面优化167
6.2.3 石墨烯复合材料用作电极材料170
6.3 石墨烯在钠金属负极中的应用193
6.3.1 可加工钠金属负极193
6.3.2 钠空气电池196
6.3.3 钠二氧化碳电池198
6.3.4 室温钠硫电池200
6.4 钠离子电池用石墨烯应用展望201
参考文献202
第7 章　石墨烯在锂金属负极中的应用207
7.1 锂金属负极概述209
7.1.1 应用前景209
7.1.2 发展与挑战209
7.2 石墨烯基锂金属负极支架212
7.2.1 大表面积的石墨烯骨架212
7.2.2 改性石墨烯对锂金属沉积性能的影响217
7.2.3 石墨烯支架对锂金属的机械性能的影响218
7.3 石墨烯基中间功能层221
7.3.1 锂金属负极界面保护221
7.3.2 离子浓度调节层223
7.4 金属锂负极表面封装225
7.5 应用前景展望226
参考文献227
第8 章　石墨烯在其他储能器件中的应用231
8.1 概述233
8.2 混合电容器234
8.2.1 锂离子电容器234
8.2.2 钠离子电容器248
8.2.3 其他混合储能器件254
8.3 双离子电池256
8.3.1 概述256
8.3.2 石墨烯在双离子电池中的应用258
8.4 铅酸蓄电池259
8.4.1 概述259
8.4.2 石墨烯在铅酸蓄电池中的应用260
8.5 展望262
参考文献264
第9 章　“石墨烯 ”储能的机遇和挑战269
9.1 时代机遇和研发进展271
9.2 认识误区和观念更正272
9.3 “石墨烯 ”电池(储能)———梦想终将照进现实273
9.3.1 石墨烯———做传统碳材料做不好的事情274
9.3.2 石墨烯———做传统碳材料做不了的事情275
9.3.3 石墨烯储能技术产业化推进的几点建议276
索引278

本书围绕石墨烯在电化学储能技术中的应用,重点对超级电容器、锂离子电池、锂硫电池等电化学储能器件中涉及的石墨烯基材料进行了介绍,系统阐述了石墨烯在多种电化学储能器件中的角色及功能,给出了一系列石墨烯应用于电化学储能器件的方法、策略和实例。本书共九章,1章为绪论,主要阐述了电化学储能技术的发展现状以及石墨烯应用于电化学储能领域的潜力。第2~6 章分别针对不同的电化学储能器件(超级电容器、锂离子电池、锂硫电池、锂空气电池、钠离子电池)系统阐述石墨烯在其中扮演的角色以及电化学储能用石墨烯基材料的设计策略。第7、8章进一步将石墨烯基材料的设计策略拓展到新型储能技术体系,包括锂金属负极等其他电化学储能器件的设计和应用。第9章对石墨烯应用于电化学储能器件的发展机遇和面临的挑战做了系统评述。

杨全红博士，天津大学讲席教授、博士生导师，新加坡国立大学（NUS）-天津大学（TJU）福州学院教授、PI，清华-伯克利深圳学院客座教授。国家杰出青年科学基金获得者、中组部“万人计划”领军人才、天津市有突出贡献专家、科睿唯安“全球高被引科学家”和爱思唯尔“中国高被引学者”，享受国务院政府特殊津贴。1994 年毕业于天津大学，1999 年毕业于中科院煤化所，其后在中科院金属研究所、法国科研中心、日本东北大学、英国南安普顿大学从事博士后研究。从事碳功能材料、新型二维材料和先进电池研究，在Nature Commun., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Energy Environ. Sci. 等刊物发表论文200余篇，他人引用 18000 余次，H因子 77。出版石墨烯材料专著《石墨烯：化学剥离与组装》，拥有中国和国际授权发明专利40余项。成果曾获国家技术发明二等奖（2017）、教育部高等学校科学研究优秀成果一等奖（2019）、天津市自然科学一等奖（2013）等学术奖励。担任储能领域知名刊物《Energy Storage Materials》副主编、《Carbon》、《Science China Materials》等10份刊物编委，为《人民日报》等撰写评论文章。