清華新聞網3月6日電（通訊員 龔 華）清華大學化工系魏飛、張強研究組成功制備出一種具有自分散、不堆疊特性的柱撐石墨烯，可以用于高倍率、高容量的鋰硫電池。相關工作于2014年3月3日以《用于高倍率鋰硫電池的不堆疊柱撐石墨烯》（Unstacked double-layer templated graphene for high-rate lithium-sulfur batteries）為題發(fā)表在國際著名學術期刊《自然·通訊》(Nature Communications)上，并受邀在美國物理學家組織網（PhysOrg）、美國納米技術與科學網（Nanowerk）作為前沿研究工作進行介紹。文章第一作者為化工系博士生趙夢強。

石墨烯是一種二維片狀納米碳材料，具有優(yōu)異的力學、熱學、電學、光學性能以及廣泛的應用前景。但石墨烯間較強的相互作用導致其容易堆疊，多片石墨烯放在一起時易形成層間距僅有0.334納米的多層石墨烯結構。這種片狀材料易堆疊的特性降低了材料的比表面積，限制其界面的高效利用，從而使其在儲能、催化、復合材料、電子器件等領域應用時宏觀性能大打折扣。因此，發(fā)展一類防止石墨烯堆疊的新概念與有效方法是促進石墨烯性能利用最大化的關鍵。

圖為柱撐石墨烯結構示意圖，該圖表示：當兩層石墨烯接近時，石墨烯片上的突出結構起到柱撐功能，從而防止此類石墨烯自發(fā)堆疊。

為了攻克納米材料難分散難關，清華大學化工系魏飛、張強研究組發(fā)展了柱撐石墨烯這種具有自分散特性的新材料。有別于在石墨烯間層間引入金屬氧化物、導電高分子、炭黑、碳納米管等隔離物以防止堆疊的思路，該課題組通過催化氣相生長調變石墨烯的結構，獲得了具有突起結構的石墨烯。當兩層石墨烯接近時，石墨烯片上的突出起到柱撐功能，從而避免石墨烯堆疊形成層間距0.334納米的多層石墨烯結構。這種方法克服了石墨烯與其他物質雜化所帶來的石墨烯本體性能及界面改變等復雜問題，提供了一種具有本征自分散特性、不堆疊的新型石墨烯。這種石墨烯的比表面積高達1628 平方米/克，具有大量孔徑在2-7納米的介孔，孔體積高達2.0 立方厘米/克。這種不堆疊的柱撐石墨烯在鋰硫電池儲能中體現(xiàn)了優(yōu)異的性能。如果將該材料用于鋰硫電池正極，在放電電流密度高達5 C時（即電池0.2小時放電完畢），鋰硫電池基于活性硫電極材料的可逆容量可高達1034 毫安時/克，相比磷酸鐵鋰（170 毫安時/克）等鋰離子電池正極材料，其活性材料容量大幅度提高。即使在循環(huán)1000次后，其在5 C的電流密度下的可逆容量仍可保持530 毫安時/克。對比活性炭、多孔碳、碳納米管、普通石墨烯等碳材料，該報道中的柱撐石墨烯分散性更好，更容易構建高效導電網絡及暢通的離子通道，使其儲能性能得到顯著提升，所得的鋰硫電池的能量密度、功率密度顯著優(yōu)于已有的商用鋰離子電池，在電動汽車、個人電子產品以及大規(guī)模儲能中具有巨大潛在應用前景。

張強表示，這種不堆疊的柱撐石墨烯材料還有望在環(huán)境保護、納米復合材料、電子器件及個人健康等方面獲得有效應用。這種基于拓撲結構引發(fā)的不堆疊特性并不局限于石墨烯，也適用于發(fā)展其它具有三維拓撲柱撐結構，從而為納米材料的宏觀特性得到充分體現(xiàn)提供了新原理支持。

此項工作由清華大學化工系魏飛、張強課題組完成。國家自然科學基金委員會、科技部、北京市科委資助了此項研究。