中國粉體網訊  成會明，中國科學院院士，碳材料科學家，一直從事碳納米管、石墨烯等碳材料的制備及應用研究，尤其是石墨烯在能源儲存領域中的應用。作為一種二維材料，石墨烯雖然具有近乎完美的物理化學性質，但是為了拓展其在能源領域中的應用，需要將其制備成三維宏觀結構。這樣的三維結構在微觀上可以增大比表面積，有利于電荷傳輸、活性物質負載，在宏觀上有利于宏量制備和應用。成會明院士團隊最早提出了以泡沫鎳為模板通過化學氣相沉積（CVD）制備三維石墨烯泡沫（GF），并通過涂膠、刻蝕等步驟得到了自支撐的GF。

這種GF具有高比表面積、超高的孔隙率和較好的柔性。他們利用GF分別負載LiFePO4和Li4Ti5O12作為鋰離子電池的正負極，組裝了柔性電池。三維柔性導電網絡GF不僅是電子和鋰離子傳導的高速通道，也是超輕的集流體。因此，GF柔性電池大大縮減了非活性物質的占比，且展現(xiàn)出較好的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性，在10 C倍率下循環(huán)100周后電池容量可達117 mAh/g，在彎曲狀態(tài)下性能也不受影響。受上述兩個工作的啟發(fā)，人們發(fā)現(xiàn)GF是一個負載活性材料的理想基底，以GF為基底負載活性物質可用于鋰離子電池、超級電容器、生物傳感等領域，并獲得了優(yōu)異的性能。

除了GF之外，氧化石墨烯（GO）及其衍生物更適宜于與活性物質復合來提高性能。早在2010年，成會明院士團隊就通過簡單的溶液法合成了Co3O4/G復合物，所得復合物中Co3O4納米粒子鑲嵌在石墨烯片層上，阻止了石墨烯片層的堆疊，而石墨烯可防止Co3O4的膨脹和團聚，提高其導電性，彼此間的協(xié)同效應使復合物具有較高的可逆容量和優(yōu)異的循環(huán)性能。但是石墨烯和氧化物之間是如何發(fā)生相互作用的，它對離子傳導的提高有多少，它又是如何緩解氧化物的體積膨脹的？成會明院士對這一系列問題進行了系統(tǒng)研究。以NiO@G為例，通過XPS、紅外以及拉曼光譜的研究，他們發(fā)現(xiàn)NiO納米片可與石墨烯表面的含氧基團通過氧原子鍵合在一起，形成C-O-Ni橋聯(lián)即氧橋鍵，將NiO納米片牢牢地固定在石墨烯表面，并且能夠促進電子在NiO和石墨烯之間的躍遷以及NiO可逆的鋰化/去鋰化，因而復合電極材料具有較高的可逆容量和優(yōu)異的循環(huán)性能（ACS Nano, 2012, 6, 3214）。

進一步通過原位TEM的觀察，他們發(fā)現(xiàn)NiO@G中的鋰離子的擴散分為兩步。第一步是鋰離子在G表面擴散。第二步鋰離子通過界面從G擴散到NiO中。NiO@G的鋰離子擴散速率比NiO高出兩個數(shù)量級，說明G可以作為鋰離子擴散的高速通道，而NiO與G的緊密結合以及相互作用是鋰離子快速擴散的關鍵因素。石墨烯還可以改善高電流密度下鋰離子與NiO的反應動力學，促進NiO的均勻鋰化。同時，石墨烯嚴格限制了界面處NiO的膨脹，確保了石墨烯與NiO之間穩(wěn)定的電化學接觸。

除了鋰離子電池之外，石墨烯在鋰硫電池中也有用武之地。為了解決硫的導電性差以及循環(huán)過程中多硫化物的穿梭現(xiàn)象，成會明院士團隊設計了一種將硫夾持在兩層石墨烯膜之間的三明治結構，其中一層石墨烯薄膜被用作集流體，硫層涂覆在其上面，而另一層石墨烯薄膜涂覆在商業(yè)隔膜上。兩層石墨烯薄膜為硫電極提供了優(yōu)異的導電性，能夠提供電子和離子的快速傳輸通道。三明治結構能容納硫的體積膨脹，更重要的是可以捕捉溶解的多硫化物，并將其激活以重新利用，有效抑制了穿梭效應。在1.5 A/g的電流密度下循環(huán)300周之后，硫電極依然有680 mA h/g的容量，衰減率僅為每周0.1%。結果表明雙層石墨烯薄膜可有效提高電極的導電性并抑制穿梭效應，大大改善了其循環(huán)性能。

成會明院士從石墨烯的本征性質出發(fā)，針對不同類型電極材料的缺點，設計了一系列石墨烯復合物，均獲得了優(yōu)異的電化學性能。更重要的是，他在深層次上揭示了石墨烯與電極材料的協(xié)同效應，為石墨烯基電極材料的設計提供了有益的指導。