石墨烯電池有做的嗎——新的石墨烯空氣電極可提升鋰電池容量達15000毫安時/克
鋰離子電池已廣泛用于許多電子設備，在我們日常生活中很重要。然而，二十年來，穩(wěn)步提高10-15%之后，鋰離子電池的能量密度目前已接近其理論極限，制約它能量的，就是這些電池使用的陰極和陽極材料。因此，近年來，全球都積極追求下一代能源儲存系統(tǒng)。有一種這樣的系統(tǒng)就是金屬/空氣電池，它具有高得多規(guī)格能量，勝過現(xiàn)有的大多數(shù)原電池和充電電池。
(a)功能性石墨烯片結構示意圖(上圖)，具有理想的雙峰多孔結構(較下方的圖像)，這非常有利于鋰氧電池運行。(b)鋰氧電池的放電曲線采用FGS(C / O = 14)作為空氣電極(PO2 = 2 ATM)。
“金屬/空氣電池是獨特的，因為正極活性材料不是存儲在電池中，”張基廣(Ji-Guang Zhang)博士說，他是西北太平洋國家實驗室(Pacific Northwest National Laboratory)轉型材料科學項目的研究員。“相反，環(huán)境中的氧氣被還原，在空氣電極內的催化表面，形成一種氧物化或過氧化氫離子(peroxide ion)，進一步與電解液中的陽離子(cationic)成分反應。Li/O2偶特別有吸引力，因為它可能具有*高的規(guī)格能量，在所有已知的電化學偶中都是這樣。”
在迄今探討的各種電化學儲能系統(tǒng)中，鋰空氣電池*有前途的一種技術，理論能量密度接近十倍于傳統(tǒng)的鋰離子電池。這是因為鋰金屬作為陽極，容量十倍于傳統(tǒng)石墨陽極，而氧氣作為鋰空氣電池的正極，可從環(huán)境中自由吸收，這就顯著減少了電池重量和成本。
為了用于實用設備如電動汽車，研究人員期望，鋰-空氣電池達到約800瓦時/千克的能量密度，這就三倍于*先進的鋰離子電池。因此，鋰-空氣電池有極大潛力，可進行許多應用，這就要求能量儲存系統(tǒng)要超越鋰離子電池，如遠程電動汽車，每次充電可以行駛500多公里。
報道他們的成果，是在2011年10月10日《納米快報》(Nano Letters)在線版，題目是《分層多孔石墨烯用作鋰空氣電池電極》(Hierarchically Porous Graphene as a Lithium-Air Battery Electrode)，張基廣和他在西北太平洋國家實驗室的小組證明，一種新的空氣電極，包含不尋常的分層排列功能化石墨烯薄片(無催化劑)，可帶來極高的鋰氧電池容量，就是15000毫安時/克，這是這一領域有史以來報道的*高值。
這種鋰-空氣電池的性能受許多因素影響，如電解質成分，宏觀結構的空氣電極，微觀直到納米結構的含碳材料。反應產(chǎn)物(如Li2O2)沉淀在含碳電極上，*終會阻塞氧氣通道，限制鋰-空氣電池的容量。
太平洋西北國家實驗室小組*近的工作，*大限度地減輕了空氣電極阻塞問題，顯著提高了的容量。
“以前的工作使用介孔炭或石墨烯薄片，或澆鑄成一種堆疊式二維結構，這就限制了它的可用容量，”張基廣說。“我們的工作**展示了一種自我組裝的、雙峰石墨烯結構，既有微米大小的開放孔隙，可加快氧氣擴散，也有大量納米孔隙(2-50納米)，可催化Li-O2反應，同時防止過快增長的放電產(chǎn)物阻塞化學通道。”
此外，研究表明，石墨烯的缺陷和功能組，有利于形成孤立的納米尺寸的Li2O2顆粒，有助于防止空氣電極中的空氣阻塞。成片石墨烯的分層有序多孔結構，可進行實際應用，促進使用這種結構的大多數(shù)石墨薄片。
制備空氣電極采用功能化石墨烯薄片時，這種功能化石墨烯薄片首先要分散在微乳溶液中，這種溶液也包含電極粘結劑材料。經(jīng)澆鑄并干燥后，非常不尋常的形態(tài)就會制成。
“令人驚訝的是，這種功能化的石墨烯薄片聚合成松散堆積的“破蛋”結構，留下很大的相互連接的隧道，一直穿進整個電極深處，”張基廣說。“這些隧道作用就像眾多的動脈，不斷供應氧氣進入電極內部，在放電過程中就是這樣。更重要的是，這種復雜的孔隙結構在電解液滲透后仍然保留下來，不像測試過的其他多孔碳材料。”
他們用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察“碎蛋”的“殼”，研究人員發(fā)現(xiàn)，這些“殼”包含許多較小的連續(xù)納米孔，連通大隧道。張基廣指出，這種獨特的形態(tài)是一種理想的設計，可用于空氣電極。“在放電過程中，強大的大型隧道可以作為“高速公路”，供應氧氣進入空氣電極內部，同時，壁上的小孔都是出口，提供三相(固態(tài)-液態(tài)-氣態(tài))區(qū)域，進行氧氣還原。”
一些障礙仍然需要克服，之后這種電池系統(tǒng)才可以大規(guī)模應用。主要障礙包括：放電速度低;電解質穩(wěn)定性和鋰-空氣電池的可逆性;需要氧氣選擇性膜，以減輕容量退化，這種退化源自水分滲透;需要防止鋰枝晶(dendrite)生長，以延長循環(huán)壽命。