石墨烯助力會呼吸的超級電池

充一次電行駛650公里，能量密度接近傳統汽油。這樣的超級電池再也不僅僅是夢想。英國劍橋大學的一紙論文讓它變得離我們如此之近。而其中石墨烯這種世界上最薄最堅硬的材料神奇地讓這種超級電池學會了呼吸。

書接上一回中英在石墨烯材料正式展開強強合作，今天我們就來講一講石墨烯如何解決鋰空氣電池所面臨的技術難題，讓這種夢幻的超級電池一步步走向現實的。

如之前介紹石墨烯材料提到的，石墨烯在鋰電池應用中充滿了機遇，同時也面臨巨大挑戰。原因就是石墨烯本身並不能獨立成為電極，需要與其他材料組成複合材料。最終的特性取決於複合材料的特性。而當石墨烯遇到了鋰空氣電池，那可謂英雄終於找到了施展才華的主戰場。如上圖所示，傳統的鋰電池正負極都是固體材料封閉在電池包中進行化學反應，通過鋰離子的遷移放電。對應的鋰空氣電池卻是靠鋰離子在正極中與空氣中的氧氣進行氧化反應進行發電的。因此電池的結構更簡單重量更輕，但是同時需要保證在正極中鋰離子可以和氧氣有充分穩定的接觸。

英國劍橋大學化學教授克萊爾格雷和她的團隊使用石墨烯及相應的技術攻克了鋰空氣電池技術的多項難題。下圖即為劍橋大學2015年10月發表於核心期刊《科學》中的論文《鋰空氣電池，更好的高能量密度電源》（Lithium-air batteries, a better recipe of energy-dense power）封面。

克萊爾格雷教授和她的團隊創新地將化學反應產物從氧化鋰變成了更易處理的氫氧化鋰。並且使用了DME電解液和碘化鋰添加劑。其中另一項關鍵調整就是使用了還原態氧化石墨烯rGO（reduced Graghene Oxide的簡稱）作為滲透性極好的多孔蓬鬆電極。這樣的電極保證了前文提到的正極中鋰離子和氧氣的充分穩定接觸。下圖一中劍橋大學的鋰空氣電池石墨烯電極電子顯微鏡放大照片。左半部為充滿電狀態，石墨烯電極成多孔蓬鬆狀態，提供了充足的氧氣O2，水H2O和鋰離子Li+接觸和反應的空間。右半部分為放電後的狀態，反產物為氫氧化鋰LiOH，其顆粒填補了石墨烯電極中多孔蓬鬆的空間。下圖二為鋰空氣電池內部結構和人體肺部的比較圖。圖中可以看到左側鋰空氣電池的內部結構為了提高空氣的接觸面積而設計的和右側人體肺部結構非常類似。

那麼還原態氧化石墨烯rGO又是哪種石墨烯呢？其實它是石墨烯的一種化學製備方法。下圖為還原態氧化石墨烯rGO的製備過程說明圖。上部所示首先通過石墨的氧化反應得到氧化石墨，然後右側所示進行剝離後得到單層氧化石墨烯，最後下部所示還原反應得到單層石墨烯。這種化學製備方法得到的石墨烯特點就是結構蓬鬆且多孔。在某些應用場合併不是理想的單層石墨烯薄膜，但是應用在前文提到的鋰空氣電池石墨烯電極卻恰恰十分契合。

劍橋大學的鋰空氣電池具有如下顯著優勢

1. 高效率，充放電電壓差僅為0.2V, 能量效率超過93%

2. 長壽命，充放電循環2000次後無明顯衰退（克服了鋰空氣電池反覆充放電穩定性問題）

3. 大容量，相當於當前鋰離子電池的近5倍。

4. 減少了鋰空氣電池對潮濕空氣及二氧化碳CO2的敏感程度（放電反應更穩定）

綜上所述，鋰空氣電池具有接近傳統汽油的超高能量密度。是一種夢幻般的超級電池。而根據劍橋大學的研究，由於石墨烯材料和相應技術的加入，這種超級電池擁有優異的性能並且正在一步步地走向現實。但是同時劍橋實驗室的團隊表示可能至少還要10年才能將這一技術在電動車等其他行業中量產。因此可見，石墨烯材料讓鋰空氣電池技術充滿了希望，也需要更多的耐心去等待它的進一步完善。其中相信中國的企業也會在其中扮演非常重要的角色，讓我們拭目以待吧。

參考文章和擴展閱讀：

石墨烯-開啟未來的黑金鑰匙

鋰空氣電池也許真有戲，因為「足夠好」

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