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    石墨烯電池解釋

    將石墨烯加工成電極，得益於石墨烯優異的電化學性能，以及大表麵積、高電子導電性和優異機械性能的獨特結合，從而提高了電池的性能。
    例如，一層足以覆蓋整個足球場的單層石墨烯，其重量將不足3克(石墨烯的表麵積為每克2630平方米)。這種與少量石墨烯相關聯的巨大表麵積可以被擠進AA電池內，使電池設計具有存儲大量電量的能力。
    然而，由石墨烯製成的儲能裝置的全部潛力尚未實現。許多挑戰仍然存在，特別是在低成本大規模生產具有可控微觀結構和低殘餘氧含量的石墨烯的可行技術方麵。
    我們正在解決這個問題。”石墨烯是什麼，以及更籠統的概述石墨烯能源應用在單獨的文章中，所以讓我們在這裏專門關注石墨烯在電池技術中的應用。

    石墨烯如何改進電池?

    想象一下，一個手機電池可以持續充電一個多星期，充電僅需15分鍾。不幸的是，以目前的技術，鋰離子電池的性能在兩個方麵受到限製:
    首先,它的能量的能力——電池能維持電量的時間——受電荷密度的限製，也就是陽極或陰極中可容納的鋰離子的數量。
    其次,電池的充電率——它充電的速度——受到另一個因素的限製:鋰離子從電解質進入陽極的速度。
    通過將石墨烯加工成電極(陽極和陰極)，可充電電池的能量容量和充放電率都可以得到提高，有時甚至可以顯著提高。原因在於石墨烯具有優越的導電性、優異的機械柔韌性、良好的化學穩定性以及高的比表麵積。
    然而，有研究人員報道，具有原始石墨烯陽極的lib不能提供穩定的電位輸出，這為其實際應用設置了障礙。
    為了規避這一問題並進一步提高石墨烯電極的性能，研究人員正在開發各種策略。

    石墨烯電極適用於所有類型的電池

    石墨烯已被證明對不同類型的電池有用，不僅僅是鋰離子電池——氧化還原流電池、金屬-空氣電池、鋰-硫電池和鋰-金屬電池。
    由於石墨烯可以被化學加工成適用於正極和負極的各種形式，這使得製造具有超高能量密度的全石墨烯電池成為可能。
    石墨烯基空氣電極的形貌
    石墨烯基空氣電極的形貌。a, b)在不同放大倍率下製備的功能化石墨烯片(FGS)(碳/氧(C/O) = 14)空氣電極的SEM圖像。c, d)分別使用c /O = 14和c /O = 100的FGS放電的空氣電極。(©美國化學會)
    例如，研究人員已經多次展示了石墨烯複合材料的用途碳納米管/石墨烯三明治，用於高速率鋰硫電池或提升鋰金屬電池;或與二硫化鉬結合為高性能鈉離子電池的電極。
    甚至3 d打印的石墨烯電池，使用石墨烯墨水，已經被證明。
    另一個激動人心的進展是石墨烯可用於製造高度靈活的超級電容器和電池如圖所示:
    石墨烯製成的可彎曲超級電容
    一種由石墨烯製成的新型可彎曲超級電容，它能快速安全地充電，儲存創紀錄的高水平能量，供長時間使用。(圖片來源:Zhuangnan Li, UCL)
    但有一個大問題:盡管科學家已經證明石墨烯基電池的性能特性遠遠超過商用電池，但缺乏大規模生產高質量石墨烯的可行技術限製了其實際應用的潛力，例如在移動消費設備上。
    阻礙大規模生產的另一個問題是成本。根據材料質量的不同，石墨烯的生產成本估計有所不同，從每公斤數萬美元到數千美元不等，但它仍然無法與最先進的材料競爭。例如，目前用於超級電容器的活性炭的成本非常低(每公斤10-15美元)，這對其他材料的進入構成了困難的障礙。

    石墨烯可以防止電池起火

    鋰電池使電動汽車充一次電可以行駛幾百英裏。鋰電池的能量儲存能力是眾所周知的，但它們偶爾會著火的傾向也是眾所周知的——電池研究人員將這種現象稱為“熱失控”。
    鋰電池起火的原因包括快速循環或充放電，以及電池溫度過高。這些條件會導致電池內部的陰極——在大多數鋰電池的情況下是一種含鋰的氧化物，通常是鋰鈷氧化物——分解並釋放氧氣。如果在足夠高的熱量下，氧氣與電解質分解釋放出的其他易燃產物結合，就會發生自燃。
    石墨烯是一種理想的材料阻止氧氣釋放到電解質中。研究人員證明，如果他們將鋰電池的鋰鈷氧化物陰極的非常小的粒子包裹在石墨烯中，就可以防止氧氣逃逸。

    你的下一個電池可能是超級電容

    另一種技術是使用石墨烯作為儲能介質本身。它已經被用於製造超級電容器——在需要非常快的充電時間的應用領域，比如電動汽車領域，超級電容器可能是鋰離子電池未來最強的競爭對手。
    這可以說是它們的關鍵特征。超級電容從完全放電到完全充電的速度比同類鋰離子電池快許多個數量級。在這種情況下，石墨烯的大表麵積才是最重要的，因為可以儲存的電荷量與製造它的材料的表麵積有關。所以，石墨烯又是理想的材料。

    新一代石墨烯電池將具有新穎的功能

    不過，這些障礙將被克服，很快，石墨烯就可以建立新一代儲能設備，具有12個現有技術無法實現的新功能，總結如下(源):
    帶有交流線路濾波的超級電容器
  • -垂直取向石墨烯
  • -電化學還原氧化石墨烯
  • ——Graphene-CNT地毯
  • -石墨烯- pedot:PSS混合膜
    • 靈活的儲能設備
  • - 3D石墨烯泡沫
  • - - - - - - V2O5石墨烯紙
  • - rGO纖維素紙
  • - 3D石墨烯網絡光纖
    • 可拉伸電池和超級電容器
  • -褶皺CVD石墨烯
    • 可穿戴電子設備的儲能裝置
  • ——Graphene-MnO2塗層紡織
  • -石墨烯-碳納米管芯-鞘纖維
    • 透明電池和電容器
  • -褶皺CVD石墨烯
  • - - - - - -李4“透明國際”5O12和描寫2O4
    • 電池充電快
  • - - - - - -李4“透明國際”5O12石墨烯泡沫
  • - CVD石墨烯泡沫鋁電池
    • 用於超薄電子產品的輕型電池
  • - 3D石墨烯或少層石墨烯
  • - - - - - - V2O5石墨烯紙
    • 氧化石墨烯作為固體電解質和分離器
  • -氧化石墨烯納米片
  • ——rGO-GO-rGO microsupercapacitors
  • ——rGO-GO-rGO超級電容器
    • 具有電池能量密度的超級電容器
  • -液體介導的石墨烯薄膜
  • -多孔石墨烯框架
  • ——3 d MnO2石墨烯混合電影
    • 用於安全電池的滲選膜
  • -永久選擇性氧化石墨烯膜
    • 更持久的儲能設備
  • -光熱還原石墨烯
  • -溶劑化石墨烯框架
    • 粘結劑和無添加劑電極
  • -激光刻字3D石墨烯
  • -多孔石墨烯框架
  • -液體介導的石墨烯薄膜
    • 如果你對更廣泛的討論感興趣，請閱讀我們關於使用的文章用於能源應用的石墨烯，其中我們涵蓋了石墨烯在太陽能電池、燃料電池催化和超級電容器方麵的應用。
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