能源學院劉忠范院士和孫靖宇教授研究團隊
在先進烯碳材料制備與可穿戴能源器件領域取得系列進展

       石墨烯由于其優越的性質(高導電性、高導熱性、輕質高強)而在能量存儲及可穿戴設備應用方面大放異彩。然而,此領域仍然存在諸多挑戰,如石墨烯在儲能體系中分布不均、質量占比高從而影響器件能量密度的發揮;此外,常用的還原氧化石墨烯普遍存在結晶質量差、導電性欠佳、環境不友好等缺點。制備決定未來,面向能源應用的石墨烯材料的可控制備一直受到學術界和業界的熱點關注。

      近兩年來,能源學院劉忠范院士和孫靖宇教授團隊基于在絕緣襯底上借助直接化學氣相沉積技術(Direct-CVD)生長石墨烯的前期積累,依托蘇州大學能源與材料創新研究院、北京石墨烯研究院等先進平臺,在烯碳材料的可控直接制備及儲能應用方面取得創新研究成果(蘇州大學均為第一單位)。該團隊利用Direct-CVD技術可實現多功能化石墨烯粉體的可控制備以及電化學材料界面處石墨烯的原位包覆/修飾,有別于傳統的還原氧化石墨烯摻入法,從而獲得了低成本高性能的能量存儲器件(Adv. Mater. 2018, 30, 1800963; ACS Nano 2018, 12, 10240; ACS Nano 2019, DOI: 10.1021/acsnano.9b06267; Nano Energy 2018, 53, 432; J. Mater. Chem. A 2019, 7, 20750; Nano Res. 2019, DOI: 10.1007/s12274-019-2551-0)。同時,該團隊實現了在柔性平面襯底上直接生長均勻的垂直石墨烯陣列結構,成為構筑可穿戴太陽能電池及柔性電容器的理想電極材料(Nano Energy 2019, 60, 385; J. Mater. Chem. A 2019, 7, 4813);而利用化學氣相沉積技術制備的石墨烯基二維異質結薄膜,可成功應用于鋰硫電池的超薄中間層(Nano Energy 2019, DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.104190)。基于上述成果,孫靖宇教授在《科學通報》撰寫評述文章(科學通報, 2019, DOI: 10.1360/TB-2019-0486)。

       近期,該團隊根據“江蘇省先進碳材料與可穿戴能源技術重點實驗室”研究方向牽引,借助程控打印技術,在烯碳基印刷化儲能體系及多場耦合可穿戴能源器件方面取得系列進展(蘇州大學均為第一單位)。定制兼具導電性和溶液可加工性的新型墨水,應用于柔性印刷及3D打印能源器件領域(Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1805510; ACS Nano 2019, 13, 7517; Adv. Energy Mater. 2019, 9, 1901839; Adv. Funct. Mater. 2019, DOI: 10.1002/adfm.201903878; ACS Nano 2019, nn-2019-08030tR1),被科研網站Phys.org亮點報道;進一步地,通過面向實際應用場景的多場耦合器件一體化集成,從而構筑高安全長續航的可穿戴能源系統(Nature Commun. 2019, 10, 4913; Nano Energy 2019, 60, 247; Nano Res. 2019, 12, 331; Chem. Commun. 2019, 55, 1291)。此外,該團隊利用微型超級電容器和柔性太陽能電池的打印集成,設計了高柔性、高便攜度、高安全的自供電能量單元,實現光充電/放電100 圈循環后98.7%的高容量保持率(Nature Commun. 2019, 10, 4913),優于大多數見諸報道的柔性自供電器件。此研究工作為構筑面向未來的可穿戴系統提供了新的可行方案。


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