石墨烯电池技术前沿盘点

根据美国伦斯勒理工学院研究人员的预计，石墨烯电极材料比当今锂离子电池中惯用的石墨电极材料的充电或放电速度快10倍。

1 美加州大学洛杉矶分校制成多孔三维石墨烯架构
锂离子电池的性能取决于电极材料性能。尤其是材料不仅应具有高导电性，而且还应能够提供电池充放电周期中，锂原子快速嵌入和再嵌入所需的极好孔隙率。
单层碳原子结构的石墨烯，虽然在理论上具有更大的比表面积和出色的机械柔性。但是要在实际操作中将石墨烯集成于大体积的锂离子电池而无聚集是很困难的，而且还会严重降低比表面积。
基于这种情况，加利福尼亚大学洛杉矶分校的团队制备了一种石墨烯气溶胶，并用一种简单的方法将石墨烯气溶胶转换成溶剂化的石墨烯三维多孔架构，大大提升了锂离子交换和导电性。
为了制备这种石墨烯架构，科学家们通过一种改进的水热法，利用氧化石墨形成自由无支撑的石墨烯气溶胶立方体。通过简单的溶剂置换，他们将气溶胶结构转换成三维溶剂化的石墨烯架构。然后，可将这种溶剂化石墨烯架构很方便地压成薄膜，装入锂离子纽扣电池，而不损害多孔的石墨烯网络结构。
这种易于制备的阳极不仅可使锂离子的渗透更为快速，同时还保持了石墨烯片层的大表面积和出色的导电性。研究表明，溶剂化的多孔三维石墨烯气溶胶结构，具有更好的电化学性能。

2 韩国科研团队发明可提升锂离子电池性能的三维石墨烯材料
韩国科学技术研究院(KAIST)的研究团队发明的用于锂离子电池的新型石墨烯电极材料，与常规锂离子电池相比，充电速度更快，而且电容量不会降低。
团队称，传统石墨烯是一种二维碳原子片层，制备方法通常是将石墨溶于一种化学溶液中，然后再将石墨分离成超薄的片层碳材料。
但这种方法制备的石墨烯会在碳片层材料上留下少量的杂质。材料中杂质在经过一定时间的使用后，会降低电池电容。团队采用化学沉积法，制备了不含任何杂质的三维形式的片层碳材料。与传统材料制备方法相比，新制备方法制备的石墨烯材料由于不含杂质，制备的电池再充电速度大幅提升。
相关测试已经证实，制备的电池在经过10000个再充电周期后，未发生电容降低现象。

3 美科学家对三维石墨烯纳米泡沫电极的氢化处理，提升电池性能
锂离子电池的多项关键性能，例如，电容量、电压和能量密度，最终取决于锂离子和电极材料之间的结合程度。电极在结构、化学过程和形状方面的微小变化，都会显著影响锂离子和电极材料的结合强度。
美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的科研团队经多次试验和计算发现，在锂离子电池(LIBs)中，通过对三维石墨烯纳米泡沫电极进行氢化处理，可显著提升电池容量和传输性能，这有助于基于石墨烯的高功率电极材料的研发。
团队的试验和多种计算表明，对富含缺陷的石墨烯进行刻意的低温氢处理，可以提升倍率容量。因为氢原子会与石墨烯中缺陷发生互动，打开了一些小的开口，促进了锂离子的渗透，从而提升了离子传输。通过提升氢原子最易结合的边界附近锂离子的结合度，还能提高可逆容量。

为了研究石墨烯中缺陷的氢化处理对锂离子储存能力的作用，研究团队在氢接触的过程中，尝试了各种不同的加热条件，并研究了三维石墨烯纳米泡沫(GNF)电极电化学性能，这些电极主要由带缺陷的石墨烯构成。三维石墨烯泡沫无须使用黏合剂的特点，避免了添加剂使用带来的负面影响，因此是一种理想材料。
该研究表明，对基于石墨烯的阳极材料，进行受控的氢化处理，可作为一种优化锂离子传输和可逆储存的有效方法方法。