石墨烯電池技術前沿盤點

根據美國倫斯勒理工學院研究人員的預計，石墨烯電極材料比當今鋰離子電池中慣用的石墨電極材料的充電或放電速度快10倍。

1 美加州大學洛杉磯分校制成多孔三維石墨烯架構
鋰離子電池的性能取決于電極材料性能。尤其是材料不僅應具有高導電性，而且還應能夠提供電池充放電周期中，鋰原子快速嵌入和再嵌入所需的極好孔隙率。
單層碳原子結構的石墨烯，雖然在理論上具有更大的比表面積和出色的機械柔性。但是要在實際操作中將石墨烯集成于大體積的鋰離子電池而無聚集是很困難的，而且還會嚴重降低比表面積。
基于這種情況，加利福尼亞大學洛杉磯分校的團隊制備了一種石墨烯氣溶膠，并用一種簡單的方法將石墨烯氣溶膠轉換成溶劑化的石墨烯三維多孔架構，大大提升了鋰離子交換和導電性。
為了制備這種石墨烯架構，科學家們通過一種改進的水熱法，利用氧化石墨形成自由無支撐的石墨烯氣溶膠立方體。通過簡單的溶劑置換，他們將氣溶膠結構轉換成三維溶劑化的石墨烯架構。然后，可將這種溶劑化石墨烯架構很方便地壓成薄膜，裝入鋰離子紐扣電池，而不損害多孔的石墨烯網絡結構。
這種易于制備的陽極不僅可使鋰離子的滲透更為快速，同時還保持了石墨烯片層的大表面積和出色的導電性。研究表明，溶劑化的多孔三維石墨烯氣溶膠結構，具有更好的電化學性能。

2 韓國科研團隊發明可提升鋰離子電池性能的三維石墨烯材料
韓國科學技術研究院(KAIST)的研究團隊發明的用于鋰離子電池的新型石墨烯電極材料，與常規鋰離子電池相比，充電速度更快，而且電容量不會降低。
團隊稱，傳統石墨烯是一種二維碳原子片層，制備方法通常是將石墨溶于一種化學溶液中，然后再將石墨分離成超薄的片層碳材料。
但這種方法制備的石墨烯會在碳片層材料上留下少量的雜質。材料中雜質在經過一定時間的使用后，會降低電池電容。團隊采用化學沉積法，制備了不含任何雜質的三維形式的片層碳材料。與傳統材料制備方法相比，新制備方法制備的石墨烯材料由于不含雜質，制備的電池再充電速度大幅提升。
相關測試已經證實，制備的電池在經過10000個再充電周期后，未發生電容降低現象。

3 美科學家對三維石墨烯納米泡沫電極的氫化處理，提升電池性能
鋰離子電池的多項關鍵性能，例如，電容量、電壓和能量密度，最終取決于鋰離子和電極材料之間的結合程度。電極在結構、化學過程和形狀方面的微小變化，都會顯著影響鋰離子和電極材料的結合強度。
美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)的科研團隊經多次試驗和計算發現，在鋰離子電池(LIBs)中，通過對三維石墨烯納米泡沫電極進行氫化處理，可顯著提升電池容量和傳輸性能，這有助于基于石墨烯的高功率電極材料的研發。
團隊的試驗和多種計算表明，對富含缺陷的石墨烯進行刻意的低溫氫處理，可以提升倍率容量。因為氫原子會與石墨烯中缺陷發生互動，打開了一些小的開口，促進了鋰離子的滲透，從而提升了離子傳輸。通過提升氫原子最易結合的邊界附近鋰離子的結合度，還能提高可逆容量。

為了研究石墨烯中缺陷的氫化處理對鋰離子儲存能力的作用，研究團隊在氫接觸的過程中，嘗試了各種不同的加熱條件，并研究了三維石墨烯納米泡沫(GNF)電極電化學性能，這些電極主要由帶缺陷的石墨烯構成。三維石墨烯泡沫無須使用黏合劑的特點，避免了添加劑使用帶來的負面影響，因此是一種理想材料。
該研究表明，對基于石墨烯的陽極材料，進行受控的氫化處理，可作為一種優化鋰離子傳輸和可逆儲存的有效方法方法。