石墨烯電池技術前沿盤點 這次不炒作

OFweek鋰電網訊 鋰離子電池的工作原理是依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作。在充放電過程中，Li+在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌：充電時，Li+從正極脫嵌，經過電解質嵌入負極，負極處於富鋰狀態；放電時則相反。鋰離子電池由正負電極、隔膜和電解液構成，鋰離子電池的正極材料必須有能接納鋰離子的位置和擴散的路徑。要提升鋰離子電池的性能。電極材料是關鍵。

根據美國倫斯勒理工學院研究人員的預計，石墨烯電極材料比當今鋰離子電池中慣用的石墨電極材料的充電或放電速度快10倍。

1 美加州大學洛杉磯分校製成多孔三維石墨烯架構

鋰離子電池的性能取決於電極材料性能。尤其是材料不僅應具有高導電性，而且還應能夠提供電池充放電周期中，鋰原子快速嵌入和再嵌入所需的極好孔隙率。

單層碳原子結構的石墨烯，雖然在理論上具有更大的比表面積和出色的機械柔性。但是要在實際操作中將石墨烯集成於大體積的鋰離子電池而無聚集是很困難的，而且還會嚴重降低比表面積。

基於這種情況，加利福尼亞大學洛杉磯分校的團隊製備了一種石墨烯氣溶膠，並用一種簡單的方法將石墨烯氣溶膠轉換成溶劑化的石墨烯三維多孔架構，大大提升了鋰離子交換和導電性。

為了製備這種石墨烯架構，科學家們通過一種改進的水熱法， 利用氧化石墨形成自由無支撐的石墨烯氣溶膠立方體。通過簡單的溶劑置換，他們將氣溶膠結構轉換成三維溶劑化的石墨烯架構。然後，可將這種溶劑化石墨烯架構很方便地壓成薄膜，裝入鋰離子紐扣電池，而不損害多孔的石墨烯網路結構。

這種易於製備的陽極不僅可使鋰離子的滲透更為快速，同時還保持了石墨烯片層的大表面積和出色的導電性。研究表明，溶劑化的多孔三維石墨烯氣溶膠結構，具有更好的電化學性能。

2 韓國科研團隊發明可提升鋰離子電池性能的三維石墨烯材料

韓國科學技術研究院(KAIST)的研究團隊發明的用於鋰離子電池的新型石墨烯電極材料，與常規鋰離子電池相比，充電速度更快，而且電容量不會降低。

團隊稱，傳統石墨烯是一種二維碳原子片層，製備方法通常是將石墨溶於一種化學溶液中，然後再將石墨分離成超薄的片層碳材料。

但這種方法製備的石墨烯會在碳片層材料上留下少量的雜質。 材料中雜質在經過一定時間的使用后，會降低電池電容。團隊採用化學沉積法，製備了不含任何雜質的三維形式的片層碳材料。與傳統材料製備方法相比，新製備方法製備的石墨烯材料由於不含雜質，製備的電池再充電速度大幅提升。

相關測試已經證實，製備的電池在經過10000個再充電周期后，未發生電容降低現象。

3 美科學家對三維石墨烯納米泡沫電極的氫化處理，提升電池性能

鋰離子電池的多項關鍵性能，例如，電容量、電壓和能量密度，最終取決於鋰離子和電極材料之間的結合程度。電極在結構、化學過程和形狀方面的微小變化，都會顯著影響鋰離子和電極材料的結合強度。

美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)的科研團隊經多次試驗和計算髮現，在鋰離子電池(LIBs)中，通過對三 維石墨烯納米泡沫電極進行氫化處理，可顯著提升電 池容量和傳輸性能，這有助於基於石墨烯的高功率電 極材料的研發。

團隊的試驗和多種計算表明，對富含缺陷的石墨烯進行刻意的低溫氫處理，可以提升倍率 容量。因為氫原子會與石墨烯中缺陷發生互動，打開 了一些小的開口，促進了鋰離子的滲透，從而提升了離子傳輸。通過提升氫原子最易結合的邊界附近鋰離子的結合度，還能提高可逆容量。

為了研究石墨烯中缺陷的氫化處理對鋰離子儲存能力的作用，研究團隊在 氫接觸的過程中，嘗試了各種不同的加熱條件，並研究 了三維石墨烯納米泡沫(GNF)電極電化學性能，這些電極主要由帶缺陷的石墨烯構成。三維石墨烯泡沫無須使用黏合劑的特點，避免了添加劑使用帶來的負面影響，因此是一種理想材料。

該研究表明，對基於石墨烯的陽極材料，進行受控的氫化處理，可作為一種 優化鋰離子傳輸和可逆儲存的有效方法方法。

4 美科學家將硅粒子裝在石墨烯「籠 子」里，提升硅-鋰離子陽極

硅材料製成的鋰離子電池陽極的缺點是：陽極容易發生膨脹、破裂，甚至還會與電池電解液發生反應，形成影響電極性能的塗層。為此，美國斯坦福大學和美國能源部NLAC國家加速器實驗室組成的科研團隊設計了一個三步式的簡單方法， 將硅陽極粒子包裹在用石墨烯定製的「籠 子」中，有望解決上述問題。

微觀石墨烯籠子的尺寸設計非常完美，大小足以滿足 電池充電過程中硅粒子有足夠的膨脹空間，但同時又足夠緊湊，以便在粒子分離后總能匯攏在一起，這樣就使電極能持續保持大容量。此外，柔性、強健的石墨烯籠子還能阻擋電極與電解液發生有害的化學反應。

團隊的測試結果表明，石墨烯籠子有效提升了粒子的導電性，形成了高蓄電能力並提升了化學穩定性和效率。這種方法還可用於其他電極材料，並有望實現真正意義上的低成本、 高能量密度的電池材料。 為了確保石墨烯籠子發揮良好作用，需與硅粒子的尺寸完好匹配。

因此，科學家們設計了以下工序：

首先，對硅粒子塗覆適宜厚度的鎳。

然後，在鎳層之上生長了數層石墨烯。鎳層的作用是用作促進石墨烯生長的催化劑。

最後，團隊再將鎳層刻蝕掉，在石墨烯籠子里留下足夠的空間，以容納硅粒子的膨脹。這些尺寸精準匹配的石墨烯籠子是保持電極高效運行的頭道塗層，而且還可在相對較低的溫度下完成一些化學反應。

據悉，利用這種新方法可採用直徑更大的硅粒子，例如，可採用1~3微米或幾百萬分之一米的硅粒子，這 種尺寸的硅粒子廉價、並可廣泛獲得。

事實上，團隊採用的粒子與製備半導體晶元過程中研磨硅錠所產生的廢料非常相似。而之前製備電池陽極時採用如此大直徑的硅粒子根本無法達到良好性能。儘管相關工序還需進一步優化，但該研發還是被科學界視為是激動人心的成果。

5 印度科學家新型鋰離子電池陽極材料-鈷+石墨 烯氣溶膠結構

金屬氧化物具有替代鋰離子電池中的石墨電極和鋰合金陽極的潛能。氧化鈷(CoO)具有較高的比容量和出色的循環穩定性，在這一領域的前景尤其好。然而，氧化鈷粒子團聚性和體積膨脹大大限制了它作為陽極材料的應用。

印度科學教育和研究學院的科研團隊將氧化鈷融合到一種石墨烯水凝膠中，利用石墨烯 水溶膠三維支撐穩定的機械性能，有效避免了體積膨脹問題。不僅如此，這種充分互聯的混合材料還提升了導電性。

團隊採用了一種水熱技術(hydrothermal technique)，首先製備了一些質地均勻的微結構(外形 為有趣的玫瑰狀)。然後，再將這種結構固定在還原的氧化石墨烯片層上，以便融於一種石墨烯水溶膠中。

與通常鋰離子電池陽極材料相比，這種氧化鈷-石墨烯水溶膠材料表現出超級好的電化學性能。氧化鈷的獨特外形以及它們與還原氧化石墨烯的交錯結構，縮短了鋰離子擴散的距離，也避免了在鋰化反應/去鋰化反應過程中由於體積膨脹造成的一些普遍問題。

結語

根據相關預測，全球鋰離子電池市場到2020年有望增長到650億萬美元，到2025年增長到1300億美元。市場增長動力主要源自對更好儲能系統的需求以及在電動車、消費者電子(智能手機、平板電腦、筆記本 電腦等)和可再生能源方面的應用，世界許多國家都在開展石墨烯用於電池領域的研究，以便搶奪技術先機。

美國能源部向其石墨烯製備企業XG Scienc?es提供專項科研經費， 資助該公司一種低成本硅-石墨烯複合材料陽極的研發，目標是使鋰離子電池的能量密度達到350 Wh/kg，循環性能提升到1000個充電周期。

馬來西亞石墨烯公司——Gra?pheneNanoChem與Sync R&D達成協議，共同研發用於電動公車的新一代石墨烯增強型鋰離子電池，該項目的目標是到2020年，行駛在公路上的電動公車達到2000輛，電動汽車達到10萬輛。世界各國在石墨烯用於鋰離子電極材料的創新研究還有很多，這裡不再逐一列舉。

國內的相關企業可借鑒國外的相關經驗，充分利用石墨烯獨特的優異性能，以問題為導向，通過「石墨烯+」，早日實現產業改造升級，搶佔這一領域的戰略制高點。