石墨烯/聚合物的电子/离子导电双通道结构设计及其电化学应用

The reliability and safety are indispensable, besides high energy/power density, for the system of electrochemical energy storage in future. Compared with liquid electrolyte, gel or solid state electrolytes were proved to have higher stability in energy storage. However, the internal resistance in solid-state electrolyte based electrochemical energy storage is leading to a poor charge/discharge capability. Graphene/gel electrolyte films with different structures were prepared through chemical/physical methods. The controlled process of preparing graphene/gel electrolyte compositions and the its effects on electrochemical storage were obtained by means of optimizing the process of synthesis and doing electrochemical characterizations. The organization structures between graphene and gel electrolyte was analyzed by SEM, XRD and Raman, in order to disclose the functional mechanism of graphene/gel electrolyte based electronic/ionic bi-continuous channel in gel electrolyte based electrochemical energy storage. The project will provide fundamental supports for the designs and applications of graphene based composition structures and motivate the fast development of graphene based films in the systems of electrochemical energy storage.

未来的电化学能源存储系统不仅需要其具有较高的能量/功率密度，而且可靠性和安全性也至关重要。与液体电解液相比，凝胶或固体电解液在储能系统中已被证实稳定性更高，因而在安全性方面要求高的能源存储系统中的应用前景更广泛。但是以往基于凝胶电解质的电化学储能系统表现出很大的内阻，只能支持较慢速度充放电。因此，本项目利用化学物理方法获得不同结构比例的石墨烯/聚合物凝胶电解质复合薄膜，通过优化合成工艺和电化学测试，获得石墨烯/凝胶电解质复合结构的可控制备方法以及对电化学储能的关键影响因素；利用SEM、XRD、Raman等分析测试手段获得石墨烯与凝胶电解质的组织结构方式，进而揭示石墨烯/凝胶电解质的电子/离子双通道在凝胶电解质基电化学储能过程中的作用机理，从而为石墨烯复合结构的设计及应用提供科学依据，推动新型石墨烯/聚合物复合薄膜在电化学储能系统的快速发展。

石墨烯以其高比表面积、高导电性和结构可调性，有望被用于新型电化学储能材料。其中锂硫电池因为具有极高的理论比容量，有望成为下一代高能量密度电池，但是硫电极充放电过程中会发生严重的中间相多硫化物的溶出及其在正负极之间的穿梭，会导致活性材料的低利用率和低寿命。本项目在三维石墨烯上负载纳米硫薄膜，使用特殊的干燥工艺得到致密的硫-石墨烯复合材料，增强硫与石墨烯片层的结合力，从而抑制多硫化物的溶解损失，提高了电极的比容量和稳定性。进而在石墨烯片层表面生长微孔碳，获得微孔/介孔的多级碳结构，实现了多种空间结构协同作用抑制多硫化物，其中微孔碳主要用来限域承载硫，而介孔作为第二层保护层可以进一步稳定溢出的多硫化物，同时提高锂离子的迁移速率。设计导电聚合物包覆硫@石墨烯的网络结构，用于提高离子传输速率和导电率，降低多硫离子的穿梭，获得高性能锂硫电池。此外，合成了垂直的碳纳米管生长在碳纳米纤维的多级碳，不仅具有高的电子导电性，同时增加了比表面积以提高电极/电解液的界面范围；当使用离子液体作为电解液时，柔性电容器可以在0.5A/g的充放电电流条件下释放70.7 Wh/kg的比能量，在20000次循环后，仍然保持初始容量的97.0%。基于上述研究，共发表7篇SCI学术论文，相关学术成果已经在进行初步的产业化转化，未来有望取得良好的经济和社会效应。