石墨烯电化学储能技术

　　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。

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