成果简介
在全球能源结构转型和新能源大规模接入的背景下，高效电化学储能系统的崛起已成为当今研究热点。为解决现有电极材料导电性差、结构稳定性弱的问题，石墨烯气凝胶凭借其优异的导电性、超大的比表面积和稳定的结构，成为突破现有技术瓶颈的最佳材料。本文，兰州理工大学冯辉霞教授等在《ChemistrySelect》期刊发表名为“Research Progress on the Application of Graphene Aerogel in the Field of Electrochemical Energy Storage”的综述，系统综述了石墨烯气凝胶研究领域的进展，概述了包括原位组装、化学交联、模板法、3D打印技术及生物质可持续合成法在内的制备方法，这些制备策略均会影响材料微观结构。在此基础上，本研究深入探讨了石墨烯气凝胶在超级电容器、锌空气电池及锂离子电池中的作用机制与应用前景，重点分析通过构建碳材料、共价有机框架与金属化合物复合结构实现性能优化的路径。最后总结技术挑战并展望未来趋势，为新型高效储能器件的设计提供指导。
图文导读
2.1 石墨烯气凝胶的制备
石墨烯气凝胶的制备是关键研究领域。方法包括石墨烯水凝胶的制备过程和干燥方法的选择。在制备过程中，石墨烯水凝胶的不同工艺对最终产品有显著影响。此外，选择合适的干燥方法也至关重要。常见的方法包括大气干燥、超临界干燥和冻冻干燥。这些方法可以产生具有不同性质的石墨烯气凝胶。石墨烯气凝胶的制备方法主要包括原位组装法、化学交联法、模板法、3D打印技术、溶胶法以及从生物质中可持续合成法等，如图1所示。
图1、石墨烯气凝胶的制备方法。
2.2 石墨烯气凝胶在能源储存中的作用与机制
储能技术对移动应用具有重要意义;例如，智能手机电池需要高能量密度和快充能力。随着成本的降低和安全性的提升，这些领域取得了显著进展。超级电容器、锌空气电池和锂离子电池是不可或缺的电化学储能装置，因其巨大的改进潜力而备受关注。石墨烯气凝胶已被广泛用于超级电容器、锌空气电池和锂离子电池的功能化。
小结与展望
石墨烯气凝胶从实验室走向实际应用，在制备技术和电化学性能方面仍面临重大挑战。首先，在材料制备方面，实现低成本、大规模生产是其工业应用的关键瓶颈。传统气凝胶制备主要依赖超临界干燥工艺，存在能耗高、处理时间长等问题，且无法实现连续生产。针对此现状，当前最前沿的策略聚焦于3D打印技术与生物质可持续合成法。通过采用天然生物质作为碳源或结构导向剂，不仅能大幅降低原料成本，还能实现多级孔隙结构，契合绿色制造趋势。此外，石墨烯的机械脆性问题不容忽视。在反复应力条件下，纯石墨烯片易发生结构坍塌。因此构建聚合物/碳纳米管与石墨烯的“双网络”互穿结构，已成为增强其机械强度的有效途径。
在具体储能应用中，不同电池系统对石墨烯气凝胶提出了差异化性能要求。超级电容器虽在功率密度上具有显著优势，但其能量密度提升困难。核心问题在于如何在确保高电导率的同时增加高效催化活性位点，并解决石墨烯片层堆叠导致的离子传输障碍等问题。在锂离子电池领域，尤其当作为硅、金属氧化物等正极材料使用时，存在充放电过程中的体积膨胀问题，以及固态电解质界面膜（SEI）难以反复构建的难题。
在锌空气电池领域，关键问题在于催化性能与长期稳定性。虽然石墨烯气凝胶具有优良的三相反应界面，但其内部碳材料存在反应速率缓慢、在超高电压下易受电化学腐蚀等缺陷。当前研究一致认为，关键解决方案在于通过掺杂杂原子（如氮、硫）或引入特殊官能团对石墨烯表面进行改性。此举可调控表面电子云密度与自旋态，显著影响氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）的吸附能力。表面改性不仅增强催化剂的双功能活性，还优化了载体关联性，从而有效抑制碳沉积并延长锌空气电池循环寿命。未来工作将结合低成本大规模制备与精密功能化技术，探索石墨烯气凝胶微结构的精细化设计及原子尺度表面调控。
本文系统综述了石墨烯气凝胶的合成方法及其在电化学储能领域的应用进展。制备方面，原位组装、模板法等传统技术持续创新；生物质可持续合成法的开发进一步拓展了石墨烯气凝胶绿色低成本制备路径。应用层面，石墨烯气凝胶凭借其三维多孔导电网络，通过杂原子掺杂、金属氧化物复合及单原子催化剂集成等策略，满足超级电容器、锌空气电池和锂离子电池的多元需求，显著提升电池能量密度与循环稳定性。尽管当前大规模生产与长期稳定性仍是其产业化的瓶颈，但随着结构-活性关系研究的深入及工艺技术的突破，石墨烯气凝胶有望在下一代高性能储能器件中发挥核心作用。
文献：https://doi.org/10.1002/slct.202506504
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