基于石墨烯的材料具有一系列独特的特性，包括可调的层间通道、高比表面积和良好的电导特性，使其成为可充电电池电极制备的有前途的选择材料。锂离子电池目前主导着商业可充电电池市场，但其进一步发展受到有限的锂资源、高昂的锂成本和有机电解液安全问题的制约。从性能、安全性和成本方面考虑，基于锌的可充电电池已成为可充电电池的有前途的替代方案。
新加坡南洋理工大学洪辉祥教授与中国教授合作综述，强调了各种基于石墨烯衍生物及其复合材料的最新进展和发展，以及在可充电电池中有针对性地设计这些材料的科学原理，特别是锂离子电池、锌空气电池、锌离子电池和碘化锌电池。同时，文章还总结了使用有机废弃物可持续生产基于石墨烯的材料、使用添加制造技术快速制作电池组件以及使用保护层来提高阳极安全性的展望。相关研究成果以“Recent Advancements of Graphene-Based Materials for Zinc-Based Batteries: Beyond Lithium-Ion Batteries”为题发表在《Small》上。
图1. 从次级LIB过渡到次级ZBB的GBM的整体历史和优点综述
使用石墨烯来强化锂离子电池
锂离子电池(LIBs)的主要障碍是它们相对较低的比容量，这限制了它们在长途电动汽车行驶和频繁充电电子设备中的使用。传统的电极材料如石墨的理论容量仅为372毫安时/克。为了解决这一限制，石墨烯及其衍生物被探索作为LIBs的替代电极材料，因为它们具有优异的电导率和高比表面积。这些基于石墨烯的材料能够加快Li+离子通过它们的层间纳米孔的扩散，并在它们的表面有效地积累电荷。因此，它们显著提高了LIBs的比容量。
此外，过渡金属氧化物/硫化物(TMO/TMS)与基于石墨烯的材料的复合材料已经开发出来，以进一步提高比容量和倍率性能。这些复合材料提供了更多的电化学活性位点，增强了电子迁移性，并促进了Li+离子的传输。总的来说，基于石墨烯的材料在LIBs方面的先进研究通过解决低比容量问题和增强整体电化学性能来提高电池性能。
图2. 石墨烯衍生物电极用于锂离子电池的综述
图3. TMO/GBM复合电极用于锂离子电池的综述
图4. 用于LIB的TMS/GBM复合电极综述
利用基于石墨烯复合材料提高锌离子电池性能
摘要：锌离子电池(ZIBs)由于锌的丰富性和经济性被认为是锂离子电池的有望替代品。然而，ZIBs面临低比容量和循环寿命差等挑战。为了解决这些问题，研究人员探索了基于石墨烯的材料。例如，锰氧化物/石墨烯复合材料通过减轻锰2+离子溶解来提高ZIBs的比容量和循环稳定性。氧化钒/石墨烯复合材料通过改善电子和离子传输来提高ZIBs的速率能力和循环寿命。此外，石墨烯与聚苯胺(PANI)等材料的复合材料通过提高电导率和电荷转移来增加比容量。这些基于石墨烯的进展提供了增强ZIBs性能的解决方案，使它们成为能源存储技术中的有竞争力选择。
科学原理：基于石墨烯的材料以其出色的电导率和高比表面积，促进了离子更快的扩散和高效的电荷积聚，从而解决了传统电极材料的局限性。这些复合材料的纳米尺度工程优化了离子传输、电子转移动力学和结构稳定性，最终提高了电池性能。此外，石墨烯独特的性质，如通过氢键和π-π相互作用与其他材料互动的能力，使复合材料的创建具有增强特性的可能性，有助于改善能源存储设备性能。
图5. ZIBs用氧化锰/GBM复合电极综述
图6. ZIB用氧化钒/GBM复合电极综述
基于石墨烯的技术革新锌空气电池
锌空气电池(ZABs)凭借其卓越的理论能量密度，几乎是锂离子电池(LIBs)的五倍，具有巨大的潜力。然而，它们面临着重大障碍，包括氧还原和氧进化反应(ORR和OER)的缓慢动力学以及传统电催化剂如铂(Pt)的不稳定性。基于石墨烯材料的最新进展为解决这些挑战提供了解决方案。研究人员通过将非贵金属如钴(Co)、铁(Fe)和镍(Ni)与石墨烯衍生物相结合，开发了成本效益高、双功能电催化剂。这些复合材料表现出出色的ORR和OER性能，同时具有改进的稳定性。例如，锚定在氮掺杂的还原石墨氧化物(rGO)中的基于钴的纳米颗粒显示出令人印象深刻的结果，包括高开路电压(OCV)和功率密度。此外，异质原子掺杂和金属有机骨架(MOF)复合等策略进一步增强了ZABs的电化学性能。这些创新利用了石墨烯出色的导电性和表面积，解决了传统ZABs的局限性，使它们成为能源存储技术中具有竞争力的选择。
图7. 以金属/杂原子掺杂石墨烯衍生物作为ZABs电极的非贵金属基GBM复合材料综述
图8. 石墨烯衍生物涂层非贵金属基GBM复合材料ZABs电极研究综述
利用基于石墨烯的突破提高锌碘电池性能
锌碘电池(Zn-I2B)由于其天然丰富性和高理论容量而具有巨大潜力，但面临着元素碘(I2)固有电导率差和放电产物高溶解度等挑战。为克服这一问题，研究人员专注于将碘浓缩在多孔基质中，包括碳基材料如石墨烯泡沫(GF)。最近，基于石墨烯的材料的最新进展被用来提高Zn-I2B的性能。例如，氮和硫共掺杂的石墨烯泡沫(NSGF)和三维石墨烯状碳(I2/3DGC)基质通过提供用于稳定碘并提高电导率的多孔结构，展现出了增强的电化学性能。这些基于石墨烯的创新解决了Zn-I2B的局限性，提高了其效率和循环稳定性，使其成为有前途的能源存储技术。
图9. Zn- I2Bs用GBM复合电极综述
本综述突出了石墨烯基材料(GBMs)在增强锂离子电池(LIBs)和氧化锌电池(ZBBs)的能量储存性能方面的最新进展。石墨烯及其衍生物在能量储存中具有关键作用，既提供了导电框架又作为储存介质。为了克服它们的低比容量，研究人员探索了其他石墨烯复合材料，特别关注过渡金属氧化物(TMO)和硫化物(TMS)作为石墨烯衍生物的协同合作伙伴。这些组合显著提高了LIBs的比容量，解决了电导率不佳的挑战。与此同时，由于具有成本效益和安全性，ZBBs已经引起了广泛关注。涉及TMO和TMS整合到石墨烯衍生物以及锰和钒氧化物的策略已经提高了ZBBs的比容量和循环寿命。此外，在ZBBs中用非贵金属基GBMs替代昂贵的贵金属的努力也显示出潜力。挑战包括可持续获取GBM材料、用于新ZBBs的快速原型制作以及开发ZBB锌电极的保护层。总的来说，本综述预计GBMs将在增强LIBs和ZBBs的电化学性能方面进一步创新，可持续性、计算设计和保护层将是关注的重点领域。
原文：https://doi.org/10.1002/smll.202305217
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