石墨烯電池的研究成果

來自專欄 石墨烯發展領域

什麼是石墨烯電池?

鋰離子電池與體積和重量相比具有良好的容量。然而，有一個缺點:充電要花很長時間。另一個缺點是它們的最大輸出功率。鋰離子電池的容量可能很大，但其最大輸出功率有限，因為存在過熱的風險。

石墨烯電池是通過增強現有鋰離子電池來製造的。這是通過用石墨烯豐富電極來實現的，石墨烯改變了它們的化學和物理性質。結果提高了充電/放電速率特性，提高了容量。提高放電率意味著石墨烯電池的最大輸出功率更高。

石墨烯電池是一種新技術，到2013年，它們剛剛投入批量生產。這意味著他們仍在研究中。最優的製造工藝還有待發現。這方面缺乏知識，同行評議的科學資料仍然很少。

石墨烯電池是怎樣製成的?

石墨烯氧化釩電池

萊斯大學的研究人員發現了一種新的材料，它是氧化釩(VO2)和石墨烯的混合物。這種混合物可以用於鋰離子電池陰極。

測量結果表明，這些混合陰極能在20秒內完全充放電，並能承受超過1000次的電荷循環。在1000次循環後，其容量仍比名義值的90%要好。

釩氧化物在鋰離子電池中具有較高的能量。這是因為他們像海綿一樣收集鋰離子。使用釩氧化物(VO2)或釩五氧化物(VO5)的缺點是，一般來說氧化物是壞的導電體。低電導率導致較慢的充電/放電速率。

科學家們找到了一種使用石墨烯的方法，石墨烯是一種極好的導體，它是一種附著在氧化釩上的結構骨架。這種混合動力從氧化釩和石墨烯中具有良好的導電性，可以快速充電。

這一過程包括將氧化石墨納米薄片與粉化的VO5混合。這種混合物懸浮在水中，加熱到高溫。在這樣的溫度下，五氧化二釩降低到VO2，而石墨氧化物則降低到石墨烯。當VO2結晶時，它形成約10nm厚和600nm寬的納米帶，單層石墨烯塗層。這些條帶有幾十微米長，而且它們有一個非常大的比表面積，這使得由於VO2的離子浸漬性能和石墨烯的高電導率，電子和鋰離子的擴散速度非常快。這兩個特性結合在一起，可以快速充電和放電速率，以及這些電池的最高功率輸出。

製造石墨烯電池的真正技術難點是實際製造的vo2 -石墨烯混合材料。為了生產這種混合動力，必須非常精確地控制溫度、壓力和混合濃度等工藝條件。工藝參數現在比較出名，可以容易控制，允許大規模生產。

石墨烯磷酸鐵鋰電池

LiFePo4電池，也叫LFP(磷酸鐵鋰)可充電電池使用LiFePo4作為陰極。LFP電池是一種可充電的鋰離子電池。儘管它們的能量密度比其他一些消費級鋰離子電池低，但它們的功率密度更高。功率密度是電池提供能量的一個指標。由於它們的功率密度較高，它們在電動汽車上尤其有趣。與其他鋰離子技術相比，LiFePo4電池的熱穩定性和化學穩定性要好得多。在充電過程中，它們很難被點燃，而LFP電池在失敗之前可以處理比其他鋰電池更多的濫用。

2010年9月，一群科學家首次發表了一篇關於使用石墨烯來增強電池陰極的論文。他們的研究結果令人吃驚。他們的石墨烯電池的充電速度比鋰離子電池快很多倍，而且電池容量也更大，比傳統的LFP電池的理論最大值還要大。

他們是如何製造出這種石墨烯增強電池的?基本上，他們創造了一種新的複合材料，由LiFePo4和石墨烯組成。為了做到這一點，他們將生命po4納米顆粒與氧化石墨烯納米薄片結合在一起，並使用了諸如噴霧乾燥和退火等工藝。結果是一種由生活po4原生納米粒子組成的材料，嵌入在次級球形微粒中，用石墨烯薄片的三維網路鬆散地包裹在一起。

石墨烯是一種極好的導電體，其電子遷移率和遷移率大大提高。石墨烯薄片上的納米尺寸的孔允許在三維石墨烯基體中增加Li+的流動性。他們所創造的基本上是一個離子海綿，可以吸收鋰離子，同時允許電子在母體內自由移動。

當應用到石墨烯電池時，這種新型的lifepo4 -石墨烯複合材料產生了巨大的效果，並使電池具有一些優異的性能。首先，具體的容量是每克70 mAh。這意味著你的手機電池重量可能低於20克。重量的減少是對電動汽車的一個熱烈歡迎，它可以使用數百公斤的電池來運行。費用和排放率也得到了改善。這些改進的LFP石墨烯電池可以在10C充電，在20C放電，1000個周期，只有15%的容量衰減率。為了更好地理解這一點，如果一個電池的額定功率是1200 mAh，這意味著它可以在理論上提供一個小時1200馬力的電流。在此背景下，1C表示額定電流，在我們的例子中是1200 mA。普通鋰離子電池在0.5 - 0.8C充電，放電至1C。另一方面，這些改進的石墨烯電池能夠可靠地充電和放電，比傳統的鋰離子電池高出20倍。峰值放電率安全增加到70C，這是電池功率密度的70倍。

石墨烯電池應用

快速充電石墨烯電池可能是電動汽車能量存儲單元的下一步。傳統的電動汽車電池充電需要很長時間，在某些情況下需要5個小時。即使是在完全充電的情況下，它們也能提供大約50英里的行駛里程。石墨烯電池可以提供相同的範圍，但充電時間可以縮短到半小時。