西安交大邵金友教授团队 Matter：煮茶叶的方法实现规模化制备致密涡轮状石墨烯，实现高密度电容储能（微信文章未删减版）

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大规模制备具有高密度和高离子电导率的电极对于高体积能量和功率密度紧凑型电容式储能技术至关重要，但也极具挑战性，因为高密度和高离子电导通常难兼顾。特别是以石墨烯为代表的二维材料，在毛细力和π-π相互作用下倾向于致密平行堆叠，导致离子难以有效进入层间、离子扩散路径长且曲折，限制了石墨烯电极的高能量和高功率能力。这一问题在大厚度电极上尤为明显，制约了石墨烯电极在储能领域的实际应用。

近期，西安交通大学李祥明、邵金友教授团队受沸腾茶水中茶叶随水流运动启发，提出一种在暴沸温度下通过湍流流动和各向同性毛细压缩制造致密涡轮状石墨烯的高效方法：利用流场诱导石墨烯片层取向，毛细压缩提高材料密度，成功地解决了高密度和高离子导电率之间的调控问题，并实现了材料公斤级制备（图1）。涡轮石墨烯片层分布与流场方向一致（图1B, C），取向散布在0-180度之间，同时有效避免了石墨烯紧密堆叠。制备的涡轮石墨烯相比于叠层石墨烯电极具有更高的离子传输能力和更优的电化学储能特性（图2, 4）。同时受石榴籽和石榴皮结构启发，提出“多核致密组装”方案：疏水性的机械剥离石墨烯（EG）作为“石榴籽”，充当氧化石墨烯（GO）组装过程中的形核中心和间隔物，在微米尺度进一步调控石墨烯片层取向，避免石墨烯紧密叠层，保障了石墨烯活性位点的充分利用和离子快速迁移；同时，亲水性的GO作为“石榴皮”，在毛细作用下压缩蓬松的EG，显著提升了材料密度。涡轮石墨烯的取向、孔隙率和材料密度可通过调整前驱体比例在一定范围内调控（图3），并显示出不同的电化学性能表现（图5），赋予其在储能、过滤等不同应用领域的灵活性和可行性。该研究为批量化制备高性能二维材料及电极提供了方向，有助于加速二维材料在储能领域的应用。该工作以 “Scalable fabrication of turbostratic graphene with high density and high ion conductivity for compact capacitive energy storage”发表在国际知名期刊Matter上。文章第一作者是西安交通大学博士生李聪明。该研究得到国家自然科学基金委的支持。

图1. 批量化制备高密度涡轮石墨烯

本文提出利用沸腾流体中湍流流动产生的流场驱动石墨烯片层取向，实现石墨烯片层由平行、有序叠层向涡轮状排列的转变。取向后的石墨烯片层分布与流场分布高度一致（如图1 B, C）。为了解决高密度和高离子电导率不兼容问题，进一步引入毛细压缩效应，从微观尺度提高电极密度。同时受石榴籽和石榴皮结构启发，提出“多核致密组装”方案：疏水性的机械剥离石墨烯（EG）作为“石榴籽”，充当氧化石墨烯（GO）组装过程中的形核中心和间隔物，在微米尺度进一步调控石墨烯片层取向，避免石墨烯紧密叠层，保障了石墨烯活性位点的充分利用和离子快速迁移；同时，亲水性的GO作为“石榴皮”，在毛细作用下压缩蓬松的EG，显著提升了材料密度。

图2 涡轮石墨烯与叠层石墨烯对比

叠层石墨烯片层取向集中在0度（平行于集流体）附近，涡轮石墨烯片层取向散布在0~180度之间。XRD结果显示，叠层石墨烯峰强度远高于涡轮石墨烯，且特征层间距更小，表明涡轮石墨烯有效缓减了石墨烯紧密叠层。涡轮石墨烯离子扩散能力提高了5.4倍，显著提升了石墨烯电极在储能器件中的性能表现。

图3 结构可调的涡轮石墨烯

通过调控前驱体配比，可以在一定范围内调控涡轮石墨烯的片层取向、孔隙率和密度，实验结果表明，通过增加GO比例，可显著提高材料密度；通过增加EG含量，可有效缓减石墨烯叠层，暴露更多活性位点。材料结构调控的灵活性赋予了本方案在不同应用领域的灵活性和可行性。

图4 涡轮石墨烯与叠层石墨烯储能特性对比

图5 结构可调涡轮石墨烯电化学性能

图6 柔性软包固态石墨烯超级电容

涡轮石墨烯展示出优异的储能特性。相比叠层石墨烯，涡轮石墨烯展现出更高的离子电导率、容量和更好的倍率特性，同时兼具高密度。同时，通过改变前驱体比例调控涡轮石墨烯微结构，可对材料电化学性能进行调控，本文系统阐述了材料微观结构、电极宏观形貌及器件电化学性能之间的关系。涡轮石墨烯电极密度可达 1.12 g cm^-3，体积电容可达 234 F cm^-3，电芯能量密度可达 83.2 Wh L^-1，功率密度可达 14 kW L^-1，是电容储能领域的一个里程碑。以涡轮石墨烯电极制备的软包固态超级电容单体，具有多种输出选择，在弯折状态下无漏液，展示了涡轮石墨烯电极在柔性储能器件制造方面的潜力。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.matt.2023.09.009

【通讯作者简介】

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李祥明教授简介：西安交通大学教授，博士生导师，国家优秀青年科学基金获得者，国家重点研发计划青年科学家项目首席。2014年博士毕业于西安交通大学并留校任教，获中国机械工程学会“上银优秀博士论文”银奖，入选中国科协“青年人才托举工程”，2021年破格晋升教授。长期从事微纳制造及能源储能方面的研究工作。以第一/通讯作者在Nature Communications., Matter, Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater. 等学术刊物上发表研究论文40余篇，担任《国家科学进展》（National Science Open, NSO）编委、《Biomicrofluidics》青年编委、微纳执行器与微系统分会理事、陕西省纳米科技学会理事，获教育部自然科学奖一等奖1项。

邵金友教授简介：西安交通大学科研院常务副院长、国家杰出青年科学基金获得者。国家自然科学基金“纳米制造的基础研究”重大研究计划集成项目首席、国家重点研发专项项目首席，担任国家第六次科技预测（2020-2035规划）极端制造领域专家、十四五国家重点研发计划“高性能制造技术与重大装备”重点专项指南专家。主要从事微纳制造、柔性电子、仿生制造、储能器件制造等方面的研究工作，近年来在《Nature Communications》、《Science Advances》、《Advanced Materials》等高水平期刊发表论文160余篇，SCI他引约3100余次，获得教育部自然科学奖一等奖、教育部技术发明一等奖，陕西省高校科学技术研究特等奖。

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