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。不過也有一個缺點:充電時間長。另一個缺點是他們的最大輸出功率。鋰離子電池可能有很大的容量，但由于過熱的風險，它們的最大輸出功率是有限的。

石墨烯電池是通過改進現(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現(xiàn)的，石墨烯可以改變電極的化學和物理性質(zhì)。結(jié)果改善了充放電速率特性和容量。改進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(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，同行評議的科學材料仍然稀缺。我們將試著用一個可以在科學文獻中找到的例子來解釋這個工作原理。

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。這是因為它們像海綿一樣收集鋰離子。使用氧化釩(VO2)或五氧化二釩(VO5)的缺點是，氧化物通常是不好的導電體。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?；旌衔飸腋≡谒胁⒓訜岬礁邷?。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(jié)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電性，使得電子和鋰離子的擴散非常快。這兩個特性的結(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)難點在于vo2-石墨烯混合材料的實際制造。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。

由于其較高的功率密度，他們是特別有趣的使用在電動汽車。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，同時允許電子在矩陣中自由移動。

當應(yīng)用于石墨烯電池時，這種新型的lifepo4-石墨烯復合材料產(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。這意味著你的手機電池重量可能低于20克。對于電動汽車來說，重量的減輕是一個受到熱烈歡迎的進步，因為電動汽車可以使用數(shù)百公斤的電池來驅(qū)動。充放電率也有所提高。

這些改進的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，如果一個電池的額定電流是1200毫安，這意味著，理論上，它可以提供1200毫安的電流，為一個小時。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1℃。另一方面，這些改進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汽車儲能電池的下一步。傳統(tǒng)的電動汽車電池需要很長時間才能充滿電——在某些情況下可以達到5小時。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，但充電時間可以縮短到半個小時以下。