2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和,中國向世界發(fā)出時(shí)代強(qiáng)音!隨著可再生能源的高效使用、電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展以及智能電網(wǎng)的大規(guī)模建設(shè),安全、高效的電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)成為新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的引擎和重要載體。新材料的不斷涌現(xiàn)使得儲(chǔ)能技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。但更輕、更快、更小、更安全、更長效,是電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)永恒的追求,新能源產(chǎn)業(yè)對(duì)于新材料的渴求也是無極限的! 石墨烯作為一種新型碳納米材料,已在信息、催化、儲(chǔ)能等領(lǐng)域顯示出巨大的應(yīng)用潛力。碳材料是電化學(xué)儲(chǔ)能中的關(guān)鍵材料,在幾乎每一種電化學(xué)儲(chǔ)能器件的發(fā)展歷程中都扮演了極其重要的角色;作為一種完美的碳材料,石墨烯物理結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、比表面積大、導(dǎo)電性能良好,對(duì)大多數(shù)電化學(xué)儲(chǔ)能器件來說,是一種堪稱完美的材料可以從多方面大幅提升現(xiàn)有器件的性能,是石墨烯實(shí)用化進(jìn)程中非常重要的一環(huán)。因此,在石墨烯研發(fā)的熱潮中,電化學(xué)儲(chǔ)能自然成為較熱的領(lǐng)域之一。石墨烯儲(chǔ)能的論文數(shù)量巨大,相比之下其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用卻進(jìn)展緩慢;石墨烯電池的噱頭效應(yīng)也讓大家對(duì)石墨烯用于電化學(xué)儲(chǔ)能的真正意義以及實(shí)用化前景充滿了疑慮。筆者團(tuán)隊(duì)(NanoYangGroup)一直從事碳功能材料研究,近10 余年來致力于石墨烯可控制備、界面組裝和儲(chǔ)能應(yīng)用研究。始終堅(jiān)持石墨烯研究的群眾路線從碳中來(石墨烯是極限結(jié)構(gòu)的碳材料),到碳中去(石墨烯是碳材料的基本構(gòu)成單元),倡導(dǎo)用石墨烯解決碳材料做不好或做不了的事情。具體到電化學(xué)儲(chǔ)能應(yīng)用,定位石墨烯的角色是解決傳統(tǒng)碳材料和納米材料難以解決的瓶頸問題;倡導(dǎo)石墨烯 的理念,不是要改變(原理),而是要提升(性能,或許是數(shù)量級(jí)的提升)! 做碳材料做不好的事情率先將石墨烯用于鋰電池導(dǎo)電劑, 單層碳片層至柔至薄的特征將不貢獻(xiàn)容量的碳導(dǎo)電劑用量降至較低;做碳材料做不了的事情發(fā)明石墨烯致密組裝策略,構(gòu)建高密多孔碳實(shí)現(xiàn)致密儲(chǔ)能,大幅提高鋰電池和超級(jí)電容器體積能量密度,解決電化學(xué)儲(chǔ)能空間焦慮。基于筆者團(tuán)隊(duì)耕耘石墨烯電化學(xué)儲(chǔ)能13年的研究實(shí)踐和對(duì)該領(lǐng)域的理解,圍繞石墨烯在電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)中的應(yīng)用,本書對(duì)鋰離子電池、鋰硫電池、超級(jí)電容器等電化學(xué)儲(chǔ)能器件中涉及的石墨烯基材料進(jìn)行了介紹,系統(tǒng)闡述了石墨烯在多種電化學(xué)儲(chǔ)能器件中的角色及功能,給出了一系列石墨烯應(yīng)用于電化學(xué)儲(chǔ)能器件的方法、策略和實(shí)例。本書共九章,1章為緒論,闡述了電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀以及石墨烯應(yīng)用于電化學(xué)儲(chǔ)能器件的潛力和挑戰(zhàn)。第2~6 章分別針對(duì)不同的電化學(xué)儲(chǔ)能器件(超級(jí)電容器、鋰離子電池、鋰硫電池、鋰空氣電池、鈉離子電池等),系統(tǒng)闡述石墨烯的功能以及電化學(xué)儲(chǔ)能用石墨烯基材料的設(shè)計(jì)策略。第7、8章進(jìn)一步將石墨烯基材料的設(shè)計(jì)策略拓展到新型儲(chǔ)能技術(shù)體系,包括鋰金屬負(fù)極等其他電化學(xué)儲(chǔ)能器件的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。第9 章對(duì)石墨烯應(yīng)用于電化學(xué)儲(chǔ)能器件的發(fā)展趨勢和面臨的挑戰(zhàn)做了系統(tǒng)評(píng)述和展望。楊全紅負(fù)責(zé)本書整體構(gòu)思、框架構(gòu)建、前言展望撰寫及全文定稿修改,孔德斌和呂偉負(fù)責(zé)書稿的統(tǒng)籌撰寫和修改工作,NanoYang團(tuán)隊(duì)的30余名新老隊(duì)友(詳見編委會(huì)組成)參與本書的初稿撰寫。書中的很多研究進(jìn)展來自10余年中40余位博、碩士研究生的論文工作及多位博士后的研究工作,在此向每一位NanoYanger表示誠摯的感謝! 同時(shí)衷心感謝國家自然科學(xué)基金委、科技部(國家重大科學(xué)研究計(jì)劃)、天津市和深圳市科技主管部門、合作企業(yè)多年來對(duì)相關(guān)研究的持續(xù)資助和大力支持。本書寫緣起、論進(jìn)展、想未來,希望能以感性的筆觸、理性的解讀,給同行和讀者盡量準(zhǔn)確的信息,將筆者團(tuán)隊(duì)講有趣的故事,做有用的研究的科研信念和儲(chǔ)能的石墨烯 理念傳遞給政產(chǎn)學(xué)研商各界,去浮躁、拾信心,努力將石墨烯儲(chǔ)能技術(shù)夢(mèng)想照進(jìn)現(xiàn)實(shí)!也需要指出,石墨烯 儲(chǔ)能處于快速發(fā)展的階段,書中很多觀點(diǎn)在未來一定會(huì)被證明有其歷史局限性,本書寫作初衷是拋磚引玉,給同行和讀者一個(gè)思考的原點(diǎn)坐標(biāo),冷靜而又熱烈地去思索石墨烯的未來,期待石墨烯 儲(chǔ)能的明天! 限時(shí)間維度和作者水平,書中必然存在疏漏和不足之處,敬請(qǐng)各位批評(píng)指正!特別感謝過去20余年碳材料研究生涯中,成會(huì)明老師、康飛宇老師、日本東北大學(xué)京谷隆老師對(duì)筆者的教導(dǎo)、幫助和鼓勵(lì)! 感謝碳材料研究征途中的每一位老師、同行、朋友! 向親愛的家人,父親、母親、妻子、女兒致以深深的謝意,感謝你們的包容和付出!謹(jǐn)以此文獻(xiàn)給筆者碳材料研究的引路人,王茂章老師!楊全紅2021.2.28于衛(wèi)津園