什么是石墨烯電池?

與體積和重量相比，鋰離子電池具有良好的容量。不過也有一個(gè)缺點(diǎn):充電時(shí)間長。另一個(gè)缺點(diǎn)是他們的最大輸出功率。鋰離子電池可能有很大的容量，但由于過熱的風(fēng)險(xiǎn)，它們的最大輸出功率是有限的。

石墨烯電池是通過改進(jìn)現(xiàn)有的鋰離子電池制成的。這是通過在電極中添加石墨烯來實(shí)現(xiàn)的，石墨烯可以改變電極的化學(xué)和物理性質(zhì)。結(jié)果改善了充放電速率特性和容量。改進(jìn)的放電速率意味著石墨烯電池具有更高的最大輸出功率。

石墨烯電池是一項(xiàng)新技術(shù)，仍在研究中。最佳的制造工藝還有待發(fā)現(xiàn)。在這一領(lǐng)域缺乏知識，同行評議的科學(xué)材料仍然稀缺。我們將試著用一個(gè)可以在科學(xué)文獻(xiàn)中找到的例子來解釋這個(gè)工作原理。

石墨烯電池是如何制造的?

石墨烯氧化釩電池

萊斯大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種新材料，它是氧化釩(VO2)和石墨烯的混合物。該混合電源可用于鋰離子電池陰極。測量結(jié)果表明，這種混合陰極能在20秒內(nèi)完全充放電，并能承受1000多次充電循環(huán)。1000次循環(huán)后，容量仍優(yōu)于標(biāo)稱的90%。

釩氧化物在鋰離子電池中具有高的能量容量。這是因?yàn)樗鼈兿窈＞d一樣收集鋰離子。使用氧化釩(VO2)或五氧化二釩(VO5)的缺點(diǎn)是，氧化物通常是不好的導(dǎo)電體。低電導(dǎo)率導(dǎo)致較慢的充放電速率。

科學(xué)家們找到了一種利用石墨烯作為氧化釩結(jié)構(gòu)骨架的方法，石墨烯是一種優(yōu)秀的導(dǎo)體。這種混合材料從氧化釩那里繼承了良好的容量特性，從石墨烯那里繼承了良好的導(dǎo)電性，從而可以快速充電。

該工藝由氧化石墨納米片與VO5粉末混合而成。混合物懸浮在水中并加熱到高溫。在這些溫度下，五氧化二釩還原為VO2，而氧化石墨則還原為石墨烯。當(dāng)VO2結(jié)晶時(shí)，它會(huì)形成約10納米厚、600納米寬的納米帶，并帶有單原子厚度的石墨烯涂層。這些帶有幾十微米長，它們有非常大的比表面積，由于VO2的離子浸泡特性和石墨烯的高導(dǎo)電性，使得電子和鋰離子的擴(kuò)散非常快。這兩個(gè)特性的結(jié)合，使快速充放電率，以及高的最高功率輸出這些電池。

制造石墨烯電池的真正技術(shù)難點(diǎn)在于vo2-石墨烯混合材料的實(shí)際制造。為了生產(chǎn)這種混合物，必須非常精確地控制溫度、壓力和混合物濃度等工藝條件。這些工藝參數(shù)現(xiàn)在相對比較有名，而且可以很容易地控制，從而實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。

石墨烯磷酸鐵鋰電池

磷酸鐵鋰鋰電池又稱磷酸鐵鋰(LFP)，是一種以磷酸鐵鋰為陰極的可充電電池。LFP電池是一種可充電的鋰離子電池。盡管它們的能量密度比其他一些消費(fèi)級鋰離子電池要低，但它們的功率密度卻更高。功率密度是電池提供能量的速率指標(biāo)。

由于其較高的功率密度，他們是特別有趣的使用在電動(dòng)汽車。LiFePo4電池具有更好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，它比其他鋰離子電池更安全。它們在充電過程中很難點(diǎn)燃，LFP電池比其他鋰離子電池在充電失敗前更容易被濫用。

石墨烯電池不僅充電速度比鋰離子電池快很多倍，而且容量也更大，超過了傳統(tǒng)LFP電池的理論最大容量。

將LiFePo4納米顆粒與氧化石墨烯納米薄片混合，并采用噴霧干燥和退火等工藝。結(jié)果是一種由LiFePo4初級納米顆粒嵌入次級球形微粒組成的材料，這些微粒通過石墨烯片的三維網(wǎng)絡(luò)松散地包裹在一起。

石墨烯是一種極好的導(dǎo)電材料，它的應(yīng)用大大提高了電子的遷移率和遷移率。石墨烯片上的納米孔可以增加整個(gè)三維石墨烯基體的Li+遷移率。他們創(chuàng)造的基本上是一個(gè)離子海綿，可以吸收鋰離子，同時(shí)允許電子在矩陣中自由移動(dòng)。

當(dāng)應(yīng)用于石墨烯電池時(shí)，這種新型的lifepo4-石墨烯復(fù)合材料產(chǎn)生了很好的效果，使電池具有一些很好的性能。首先，比容量是70毫安每克。這意味著你的手機(jī)電池重量可能低于20克。對于電動(dòng)汽車來說，重量的減輕是一個(gè)受到熱烈歡迎的進(jìn)步，因?yàn)殡妱?dòng)汽車可以使用數(shù)百公斤的電池來驅(qū)動(dòng)。充放電率也有所提高。

這些改進(jìn)的LFP石墨烯電池可以在10℃充電，在20℃放電1000次，容量衰減率僅低于15%。為了更好地理解這一點(diǎn)，如果一個(gè)電池的額定電流是1200毫安，這意味著，理論上，它可以提供1200毫安的電流，為一個(gè)小時(shí)。在這種情況下，1C代表額定電流，在我們的例子中是1200毫安。

普通鋰離子電池的充電溫度為0.5-0.8C，放電溫度可達(dá)1℃。另一方面，這些改進(jìn)的石墨烯電池能夠以比傳統(tǒng)鋰離子電池高20倍的速度可靠地充放電。峰值放電率被安全地提高到70C，這是電池功率密度提高70倍。

石墨烯電池應(yīng)用

快速充電石墨烯電池可能是電動(dòng)汽車儲(chǔ)能電池的下一步。傳統(tǒng)的電動(dòng)汽車電池需要很長時(shí)間才能充滿電——在某些情況下可以達(dá)到5小時(shí)。即使充了電，有些汽車的續(xù)航里程也只有50英里左右。石墨烯電池可以提供相同的續(xù)航里程，但充電時(shí)間可以縮短到半個(gè)小時(shí)以下。