什么是石墨烯電池?

與體積和分量比較，鋰離子電池具有杰出的容量。不過也有一個缺陷:充電時間長。另一個缺陷是他們的最大輸出功率。鋰離子電池或許有很大的容量，但由于過熱的風險，它們的最大輸出功率是有限的。

石墨烯電池是通過改善現(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完成的，石墨烯可以改變電極的化學和物理性質(zhì)。成果改善了充放電速率特性和容量。改善的放電速率意味著石墨烯電池具有更高的最大輸出功率。

石墨烯電池是一項新技術，仍在研討中。最佳的制作工藝還有待發(fā)現(xiàn)。在這一范疇缺少知識，同行評議的科學資料依然稀缺。我們將試著用一個可以在科學文獻中找到的比如來解說這個工作原理。

石墨烯電池是怎么制作的?

石墨烯氧化釩電池

萊斯大學的研討人員發(fā)現(xiàn)了一種新資料，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。測量成果表明，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)于標稱的90%。

釩氧化物在鋰離子電池中具有高的能量容量。這是由于它們像海綿一樣收集鋰離子。運用氧化釩(VO2)或五氧化二釩(VO5)的缺陷是，氧化物通常是欠好的導電體。低電導率導致較慢的充放電速率。

科學家們找到了一種運用石墨烯作為氧化釩結構骨架的方法，石墨烯是一種優(yōu)異的導體。這種混合資料從氧化釩那里承繼了杰出的容量特性，從石墨烯那里承繼了杰出的導電性，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VO2結晶時，它會形成約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，它們有十分大的比表面積，由于VO2的離子浸泡特性和石墨烯的高導電性，使得電子和鋰離子的擴散十分快。這兩個特性的結合，使快速充放電率，以及高的最高功率輸出這些電池。

制作石墨烯電池的真正技術難點在于vo2-石墨烯混合資料的實際制作。為了出產(chǎn)這種混合物，必須十分精確地控制溫度、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，并且可以很容易地控制，從而完成大規(guī)模出產(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。雖然它們的能量密度比其他一些消費級鋰離子電池要低，但它們的功率密度卻更高。功率密度是電池供給能量的速率指標。

由于其較高的功率密度，他們是特別有趣的運用在電動汽車。LiFePo4電池具有更好的熱穩(wěn)定性和化學穩(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燃，LFP電池比其他鋰離子電池在充電失利前更容易被亂用。

石墨烯電池不僅充電速度比鋰離子電池快很多倍，并且容量也更大，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。成果是一種由LiFePo4初級納米顆粒嵌入次級球形微粒組成的資料，這些微粒通過石墨烯片的三維網(wǎng)絡松散地包裹在一起。

石墨烯是一種極好的導電資料，它的運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三維石墨烯基體的Li+遷移率。他們創(chuàng)造的基本上是一個離子海綿，可以吸收鋰離子，同時答應電子在矩陣中自在移動。

當運用于石墨烯電池時，這種新型的lifepo4-石墨烯復合資料產(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。這意味著你的手機電池分量或許低于20克。對于電動汽車來說，分量的減輕是一個受到熱烈歡迎的前進，由于電動汽車可以運用數(shù)百公斤的電池來驅動。充放電率也有所提高。

這些改善的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，假如一個電池的額定電流是1200毫安，這意味著，理論上，它可以供給1200毫安的電流，為一個小時。在這種情況下，1C代表額定電流，在我們的比如中是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1℃。另一方面，這些改善的石墨烯電池可以以比傳統(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。

石墨烯電池運用

快速充電石墨烯電池或許是電動汽車儲能電池的下一步。傳統(tǒng)的電動汽車電池需求很長時間才能充滿電——在某些情況下可以達到5小時。即便充了電，有些汽車的續(xù)航里程也只要50英里左右。石墨烯電池可以供給相同的續(xù)航里程，但充電時間可以縮短到半個小時以下。