曲良体教授团队Joule综述: 石墨烯平台应用于智能的产电与能量存储

yuanyukun888 7年前 (2018-01-30) 4650浏览

【引言】

化石燃料的枯竭和全球变暖的现实促使人类不断地探索可再生的能源，期望以可持续发展的方式来满足人类日益增长的能源需求。传统的可再生能源，如太阳能、潮汐能、地热能、水力发电、风力发电等在近几年发展迅猛，但是其大规模的应用受到了各种限制：（1）传统可再生的能源需要在特定的地点才能进行高效地工作，例如高辐射区域、巨大的海拔差异、狂风、强潮汐和高地热梯度的地方；（2）传统可再生能源的能量输出不可避免地受到自然环境的影响；（3）并且需要昂贵的大型设备；（4）而且能量输出系统通常不能对环境的变化做出响应。因此，解决这些问题的关键在于开发一种智能、经济的发电机，能够及时地对压力、摩擦力、温度、湿度、流动液体等外界刺激做出响应。另一方面，储能设备可以充当发电机动态能量输出与终端用户稳定电能需求之间的桥梁。目前常用的储能器件是可充电的锂离子电池(LIBs)和超级电容器(SCs)，它们在能量密度和功率密度之间是互补的。例如，LIBs能够提供高的能量密度达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）的困扰。虽然LIBs和SCs已被广泛应用于便携式电子设备，电动/混合动力汽车，以及大型能量存储系统，但是这些传统的储能设备仍然面临着相当大的挑战。

【成果简介】

石墨烯因其优异的物理、化学特性受到了广泛的关注，特别是在产电和储能领域发挥着巨大的作用。近日，北京理工大学化学与化工学院曲良体教授的综述论文“Graphene Platforms for Smart Energy Generation and Storage”在Joule杂志上发表。全文分为三个部分：（1）石墨烯的微调控、功能化与自组装；（2）基于石墨烯的发电机可控地输出电能应对外界的刺激，如湿气、流动的液体，摩擦力、压力和热；（3）基于石墨烯的智能电池和超级电容器具有非常规的特性，如可形变、可穿戴、可打印、刺激响应、自愈合、一体化、小型化等。北京理工大学曲良体教授和张志攀教授为文章的共同通讯作者，叶明晖博士为第一作者。

【图文导读】

图1：（A）石墨烯的微观结构调控。通过裁剪2D的石墨烯片子，可以得到0D的石墨烯量子点、1D的石墨烯纳米带和纳米网。（B）石墨烯的功能化，包括杂原子掺杂的石墨烯如硼、氮、磷、硫、氟、氯原子等，基于石墨烯的复合物，如石墨烯/聚合物、石墨烯/金属原子、石墨烯/金属氧化物、石墨烯/碳化物等。（C）石墨烯的自组装，如1D的石墨烯纤维/管，2D的石墨烯膜，和3D的石墨烯泡沫。

图2：（A–D）氧化石墨烯膜，（E）氧化石墨烯纳米带，和（F）氧化石墨烯纤维能产生电能对湿气的响应。

图3：单层的石墨烯发电机对移动的液滴（A–B）或流动液体（C–F）的响应。

图4：（A–C）宏观的石墨烯膜和（D–E）石墨烯泡沫发电机对流动液体的响应。

图5：基于石墨烯的发电机对摩擦力的响应。

图6：基于石墨烯的发电机对压力的响应。

图7：基于石墨烯的发电机对热的响应。

图8：基于石墨烯的柔性电池（A–E）和可拉伸电池（F–H）。

图9: 3D打印的石墨烯微电池。

图10: 基于石墨烯的智能电池对压力（A–D）和湿气（E–G）的响应。

图11: 基于石墨烯的自愈合电容器（A–B）和电致变色的微电容器（C–F）。

图12: 基于石墨烯的一体化电容器。

文献链接：Graphene Platforms for Smart Energy Generation and Storage (Joule 2017, DOI: 10.1016/j.joule.2017.11.011).

Joule 简介

  • 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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本文由曲良体教授团队供稿，blank编译，材料牛编辑整理。

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