近年來，由未堆疊的二維（2D）石墨烯片作為構(gòu)建模塊組成的三維（3D）石墨烯材料已被廣泛報道。已經(jīng)采用各種合成方法來制備具有不同3D結(jié)構(gòu)的石墨烯材料，其在諸如能量和環(huán)境技術(shù)的廣泛應(yīng)用中顯示出潛力。特別地，近年來經(jīng)常報道3D石墨烯材料在基于金屬（Li、Na、K、Mg、Al）-離子電池（MIB）系統(tǒng)中的應(yīng)用。然而，3D石墨烯材料在MIB系統(tǒng)中的關(guān)鍵作用尚未得到全面討論。在此，我們首先總結(jié)3D石墨烯材料的結(jié)構(gòu)和制備。其次，我們說明了石墨烯層中金屬離子的存儲機制，即嵌入和吸附。第三，我們強調(diào)了3D石墨烯架構(gòu)作為MIB應(yīng)用中支撐和封裝材料的優(yōu)越功能。最后，我們討論了MIB系統(tǒng)中各種3D石墨烯架構(gòu)的優(yōu)缺點。我們的目標是全面了解3D石墨烯材料，并指導未來MIB設(shè)計的方向。

Figure 1.?（a）皺折石墨烯球的結(jié)構(gòu)和制備示意圖；（b-d）由不同GO濃度制備的褶皺石墨烯球的SEM圖；（e-g）分別為（b-d）的高倍放大SEM圖。

Figure 2.?（a）通過微爆炸方法制備石墨烯渦卷的示意圖；（b-e）不同放大率下石墨烯的TEM圖。

Figure 3.?（a）碳納米纖維的低倍放大SEM圖；（b）具有表面石墨烯片的碳納米纖維的高倍放大SEM圖像；（c和d）具有表面石墨烯片的碳納米纖維的TEM圖像；（e）制備石墨烯纖維的方案；（f）具有表面石墨烯片的碳納米纖維的SEM圖像；（g和h）生長4小時，甲烷濃度為11.1％的石墨烯纖維的SEM圖像；（i和j）生長10小時，甲烷濃度為11.1％的石墨烯纖維的SEM圖像；（k）石墨烯纖維膜的光學圖像。

Figure 4.?（a）3D石墨烯籠合成的方案說明；（b）石墨烯包封Si微粒的TEM圖像；（c）顯示石墨烯籠分層結(jié)構(gòu)的HRTEM圖像；（d）去除Si微粒后的中空石墨烯籠；（e）構(gòu)建具有最佳空隙空間石墨烯籠的示意圖；（f）重量比21％硫包覆SnO₂@石墨烯的TEM圖像；（g）粗略制備用于比較的SnO₂@graphene的TEM圖像。

Figure 5.?（a）電壓窗口在0.3和0.001 V之間（相對于Li/Li⁺），幾層石墨烯的放電曲線；（b）電壓窗口在0.3和0.001 V之間（相對于Li/Li⁺），石墨的放電曲線；（c和d）幾層石墨烯的陰極和陽極CV掃描，log(i)對log(v)計算的斜率值；（e）表面控制過程和擴散控制過程的貢獻;（f）隨著Li濃度增加，鋰離子在石墨烯表面上的分布示意圖。

Figure 6.?（a）在0-2 V的電壓窗口中，第一次放電/充電期間收集的原位XRD圖案，電流密度為0.05 C；（b）C 1s光譜的非原位XPS；（c）Na 1s光譜的非原位XPS；（d）石墨烯基面中不同類型的缺陷部位；（e）具有鈉離子的給定缺陷部位的化學吸附能量的DFT計算數(shù)據(jù)；（f）放電前樣品的HRTEM圖像；（g）放電至0.005 V后樣品的HRTEM圖像。

Figure 7.?（a）柔性的LTO/LFP/GF全電池的倍率性能；（b）10 C下，LTO/LFP/GF全電池的循環(huán)性能；（c）GB涂覆在NCM上的示意圖；（d和f）原始NCM的SEM圖像；（e和g）石墨烯球涂覆后NCM的SEM圖像；（h和i）石墨烯層位于LiNi_0.6Co_0.1Mn_0.3O₂的初級顆粒之間或涂覆在其上；（j）在60 C、25 C、5 C下，GB-NCM/GB全電池的循環(huán)壽命。

Figure 7.?（a）Na₃V₂(PO₄)₃的晶體結(jié)構(gòu)；（b-e）3D石墨烯/C/NVP復合材料的SEM圖像和TEM圖像；（f和g）在10 C和40 C下，3D石墨烯/C/NVP復合材料的鈉儲存性質(zhì)；（h）Na₇V₄(P₂O₇)₄(PO₄)的晶體結(jié)構(gòu)；（i和j）3D石墨烯/C/Na₇V₄(P₂O₇)₄(PO₄)復合物的SEM圖像和TEM圖像；（k和l）3D石墨烯/C/ Na₇V₄(P₂O₇)₄(PO₄)復合物的鈉儲存性質(zhì)。

相關(guān)研究成果于2019年由香港理工大學Liang An課題組，發(fā)表在Energy Environ. Sci.（DOI: 10.1039/c8ee03014f）上。原文：Advances in three-dimensional graphene-based materials: configurations, preparation and application in secondary metal (Li, Na, K, Mg, Al)-ion batteries。

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