石墨烯片可以用于儲(chǔ)能嗎？

本文將探索無(wú)缺陷石墨烯（大（>50微米橫片尺寸）、薄且?guī)缀鯚o(wú)缺陷（LTDF）石墨烯片）如何幫助實(shí)現(xiàn)下一代電池的全部潛力。

想象一下，擁有一部智能手機(jī)，只需十分鐘即可充電，并且使用一周以上。不幸的是，使用現(xiàn)有的鋰離子電池（LIB）技術(shù)似乎是不可能的，但石墨烯電池的突破正在將這些可能性帶入生活。石墨烯電池最近取得了重大進(jìn)展，但在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)用之前仍有障礙需要克服。本文將探索無(wú)缺陷石墨烯（大（>50微米橫片尺寸）、薄且?guī)缀鯚o(wú)缺陷（LTDF）石墨烯片）如何幫助實(shí)現(xiàn)下一代電池的全部潛力。

石墨烯如何改善電池？

LIB是現(xiàn)代移動(dòng)的首選電源。然而，LIB性能在兩個(gè)方面受到限制：首先，電池的容量受到可以裝入陽(yáng)極或陰極的鋰離子數(shù)量的限制。其次，電池的充電速率受鋰離子從電解質(zhì)移動(dòng)到陽(yáng)極的速度的限制。為了推動(dòng)未來(lái)電池容量的進(jìn)步，我們需要新的先進(jìn)材料，這些材料不僅可以顯著提高性能質(zhì)量，還可以過(guò)渡到新的電池類型。

在今天的LIB中，石墨被用作陽(yáng)極材料，然而，它有局限性。由于其10 m2/g的表面積小，石墨每六個(gè)碳原子只能存儲(chǔ)一個(gè)Li原子。與石墨不同，石墨烯（0個(gè)原子碳層）的表面積為2630 m 2 /g，這使得它能夠在板材的兩面（包括其邊緣）上固定鋰離子，從而大大提高了電池存儲(chǔ)能量的能力。石墨烯具有巨大的潛力，通過(guò)長(zhǎng)期循環(huán)穩(wěn)定性以較低的降解來(lái)保持電荷。由于其高表面積和優(yōu)異的電子傳遞能力，使用石墨烯作為導(dǎo)電添加劑、支撐襯底或復(fù)合成分（例如含硅）可以顯著改善陰極中離子和電子的擴(kuò)散和傳輸。

此外，石墨烯可以作為有效的電子傳輸途徑，降低LIB的內(nèi)部電阻并增加其功率輸出。石墨烯卓越的機(jī)械性能提高了電極材料的耐用性，從而提高了速率能力和循環(huán)穩(wěn)定性。在鋰離子電池中添加石墨烯可以解決導(dǎo)電性低和離子擴(kuò)散不良的問(wèn)題，這些導(dǎo)電性差會(huì)導(dǎo)致持續(xù)放電導(dǎo)致容量衰落，包括鋰硫、石墨烯-鋁混合電池、聚合物電池和不易燃石墨烯電池。

哪種石墨烯材料最適合儲(chǔ)能？

還原石墨烯氧化物（rGO）是電化學(xué)儲(chǔ)能應(yīng)用中電極最常見(jiàn)的石墨烯形式。這很可能是因?yàn)閞GO廣泛可用，并且電導(dǎo)率高于石墨烯氧化物（GO）和活性炭。雖然rGO經(jīng)常在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模上使用，但當(dāng)大量生產(chǎn)rGO時(shí)，會(huì)出現(xiàn)幾個(gè)問(wèn)題。主要挑戰(zhàn)是存在問(wèn)題的化學(xué)異質(zhì)性導(dǎo)致的質(zhì)量和價(jià)格、批次對(duì)批次可重現(xiàn)的一致性以及碳-氧鍵對(duì)sp2結(jié)構(gòu)的不可避免的損害。這種損壞無(wú)法通過(guò)還原過(guò)程完全修復(fù)，這進(jìn)一步降低了rGO的導(dǎo)電性。還有氧化過(guò)程中酸性廢物造成的環(huán)境損害問(wèn)題。

一個(gè)有前途的解決方案是用非氧化方法制造的LTDF石墨烯。與rGO相比，LTDF具有高導(dǎo)電性、純度和結(jié)構(gòu)完整性。這對(duì)電池尤為重要，因?yàn)榕c氧氣相關(guān)的雜質(zhì)會(huì)損害導(dǎo)電性和電池性能。此外，與Li、GO和rGO相比，LTDF的表面積要高得多，這使得LTDF石墨烯片比目前使用的材料更適合用于電化學(xué)儲(chǔ)能幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

現(xiàn)實(shí)世界鋰金屬電池應(yīng)用最具挑戰(zhàn)性的方面之一是固體電解質(zhì)間相（SEI）的形成，這有利于電荷放電周期中的樹(shù)突生長(zhǎng)，導(dǎo)致內(nèi)部短路（即火災(zāi)和爆炸等物理風(fēng)險(xiǎn)危險(xiǎn)）。然而，電池界尚未解決的關(guān)鍵問(wèn)題一直是石墨烯化學(xué)和結(jié)構(gòu)缺陷是有利還是有害于鋰金屬電池的應(yīng)用。然而高缺陷的石墨烯會(huì)促進(jìn)不穩(wěn)定的SEI和有害的樹(shù)突生長(zhǎng)。這項(xiàng)研究揭示了研究人員一段時(shí)間以來(lái)的猜測(cè)——LTDF石墨烯可以抑制鋰樹(shù)突的形成，這是對(duì)鋰電池的長(zhǎng)期挑戰(zhàn)。更準(zhǔn)確地說(shuō)，由于片狀尺寸與電子路徑完整性之間的因果關(guān)系，橫向片尺寸會(huì)影響石墨烯的電化學(xué)性質(zhì)。根據(jù)研究，片狀尺寸越大，鋰離子擴(kuò)散途徑就越好。片狀尺寸越小，離子導(dǎo)電性降低越大，產(chǎn)生“屏障效應(yīng)”，導(dǎo)致特定容量損失和速率性能下降。應(yīng)該指出的是，這是一個(gè)活躍的學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域。

使用低缺陷石墨烯儲(chǔ)存能源的商業(yè)實(shí)例

當(dāng)用作超級(jí)電容器的電極材料時(shí)，Avadain的LTDF游離石墨烯片中有0.05%提供100%穩(wěn)定的比電容，即使在10A/g的更高電流密度下，而活性炭和rGO的比電容下降了30%。與rGO和活性炭相比，Avadain的薄片還能夠更快地充電/放電，100%的放電深度和更高的功率密度。

當(dāng)用作鋰離子電池電極的添加劑時(shí)，他們由甲烷使用等離子體化學(xué)制造的亞微米大小的石墨烯粉末與活性炭或石墨烯納米板（GNP-90S/cm）相比，電荷放電率顯著提高（550 S/cm）。Levidian聲稱，對(duì)于硬質(zhì)電池原型來(lái)說(shuō)，增幅高達(dá)20%，容量（138毫安時(shí)/克）略高于活性炭（116毫安時(shí)/克）。

通過(guò)將石墨烯堆棧（稱為3D石墨烯）納入其可充電鋰硫電池中的陰極，實(shí)現(xiàn)900 Wh/千克的能量密度，是典型的鋰離子電池的三倍，并具有高達(dá)1400個(gè)循環(huán)的連續(xù)電荷放電循環(huán)。Lyten的一項(xiàng)專利指出，它具有“由幾層石墨烯（FLG）片組成的陰極，定義了三維（3D）碳基多模態(tài)結(jié)構(gòu)”。對(duì)Lyten的3D石墨烯知之甚少，但它似乎是由甲烷裂解產(chǎn)生的皺/折疊的石墨烯片或堆疊，導(dǎo)致亞微米的橫片狀尺寸。

審核編輯：劉清