1成果簡介
在全球能源結構轉型和新能源大規模接入的背景下，高效電化學儲能系統的崛起已成為當今研究熱點。為解決現有電極材料導電性差、結構穩定性弱的問題，石墨烯氣凝膠憑藉其優異的導電性、超大的比表面積和穩定的結構，成為突破現有技術瓶頸的最佳材料。本文，蘭州理工大學馮輝霞教授等在《ChemistrySelect》期刊發表名為「Research Progress on the Application of Graphene Aerogel in the Field of Electrochemical Energy Storage」的綜述，系統綜述了石墨烯氣凝膠研究領域的進展，概述了包括原位組裝、化學交聯、模板法、3D列印技術及生物質可持續合成法在內的製備方法，這些製備策略均會影響材料微觀結構。在此基礎上，本研究深入探討了石墨烯氣凝膠在超級電容器、鋅空氣電池及鋰離子電池中的作用機制與應用前景，重點分析通過構建碳材料、共價有機框架與金屬化合物複合結構實現性能優化的路徑。最後總結技術挑戰並展望未來趨勢，為新型高效儲能器件的設計提供指導。
2圖文導讀
2.1 石墨烯氣凝膠的製備
石墨烯氣凝膠的製備是關鍵研究領域。方法包括石墨烯水凝膠的製備過程和乾燥方法的選擇。在製備過程中，石墨烯水凝膠的不同工藝對最終產品有顯著影響。此外，選擇合適的乾燥方法也至關重要。常見的方法包括大氣乾燥、超臨界乾燥和凍凍乾燥。這些方法可以產生具有不同性質的石墨烯氣凝膠。石墨烯氣凝膠的製備方法主要包括原位組裝法、化學交聯法、模板法、3D列印技術、溶膠法以及從生物質中可持續合成法等，如圖1所示。
圖1、石墨烯氣凝膠的製備方法。
2.2 石墨烯氣凝膠在能源儲存中的作用與機制
儲能技術對移動應用具有重要意義;例如，智能手機電池需要高能量密度和快充能力。隨著成本的降低和安全性的提升，這些領域取得了顯著進展。超級電容器、鋅空氣電池和鋰離子電池是不可或缺的電化學儲能裝置，因其巨大的改進潛力而備受關注。石墨烯氣凝膠已被廣泛用於超級電容器、鋅空氣電池和鋰離子電池的功能化。
3小結與展望
石墨烯氣凝膠從實驗室走向實際應用，在製備技術和電化學性能方面仍面臨重大挑戰。首先，在材料製備方面，實現低成本、大規模生產是其工業應用的關鍵瓶頸。傳統氣凝膠製備主要依賴超臨界乾燥工藝，存在能耗高、處理時間長等問題，且無法實現連續生產。針對此現狀，當前最前沿的策略聚焦於3D列印技術與生物質可持續合成法。通過採用天然生物質作為碳源或結構導向劑，不僅能大幅降低原料成本，還能實現多級孔隙結構，契合綠色製造趨勢。此外，石墨烯的機械脆性問題不容忽視。在反覆應力條件下，純石墨烯片易發生結構坍塌。因此構建聚合物/碳納米管與石墨烯的「雙網路」互穿結構，已成為增強其機械強度的有效途徑。
在具體儲能應用中，不同電池系統對石墨烯氣凝膠提出了差異化性能要求。超級電容器雖在功率密度上具有顯著優勢，但其能量密度提升困難。核心問題在於如何在確保高電導率的同時增加高效催化活性位點，並解決石墨烯片層堆疊導致的離子傳輸障礙等問題。在鋰離子電池領域，尤其當作為硅、金屬氧化物等正極材料使用時，存在充放電過程中的體積膨脹問題，以及固態電解質界面膜（SEI）難以反覆構建的難題。
在鋅空氣電池領域，關鍵問題在於催化性能與長期穩定性。雖然石墨烯氣凝膠具有優良的三相反應界面，但其內部碳材料存在反應速率緩慢、在超高電壓下易受電化學腐蝕等缺陷。當前研究一致認為，關鍵解決方案在於通過摻雜雜原子（如氮、硫）或引入特殊官能團對石墨烯表面進行改性。此舉可調控表面電子云密度與自旋態，顯著影響氧還原反應（ORR）和氧析出反應（OER）的吸附能力。表面改性不僅增強催化劑的雙功能活性，還優化了載體關聯性，從而有效抑制碳沉積並延長鋅空氣電池循環壽命。未來工作將結合低成本大規模製備與精密功能化技術，探索石墨烯氣凝膠微結構的精細化設計及原子尺度表面調控。
本文系統綜述了石墨烯氣凝膠的合成方法及其在電化學儲能領域的應用進展。製備方面，原位組裝、模板法等傳統技術持續創新；生物質可持續合成法的開發進一步拓展了石墨烯氣凝膠綠色低成本製備路徑。應用層面，石墨烯氣凝膠憑藉其三維多孔導電網路，通過雜原子摻雜、金屬氧化物複合及單原子催化劑集成等策略，滿足超級電容器、鋅空氣電池和鋰離子電池的多元需求，顯著提升電池能量密度與循環穩定性。儘管當前大規模生產與長期穩定性仍是其產業化的瓶頸，但隨著結構-活性關係研究的深入及工藝技術的突破，石墨烯氣凝膠有望在下一代高性能儲能器件中發揮核心作用。
文獻：
https://doi.org/10.1002/slct.202506504Digital Object Identifier (DOI)
來源：材料分析與應用
