石墨烯片可以用于儲能嗎？

本文將探索無缺陷石墨烯（大（>50微米橫片尺寸）、薄且幾乎無缺陷（LTDF）石墨烯片）如何幫助實現下一代電池的全部潛力。

想象一下，擁有一部智能手機，只需十分鐘即可充電，并且使用一周以上。不幸的是，使用現有的鋰離子電池（LIB）技術似乎是不可能的，但石墨烯電池的突破正在將這些可能性帶入生活。石墨烯電池最近取得了重大進展，但在實際應用中應用之前仍有障礙需要克服。本文將探索無缺陷石墨烯（大（>50微米橫片尺寸）、薄且幾乎無缺陷（LTDF）石墨烯片）如何幫助實現下一代電池的全部潛力。

石墨烯如何改善電池？

LIB是現代移動的首選電源。然而，LIB性能在兩個方面受到限制：首先，電池的容量受到可以裝入陽極或陰極的鋰離子數量的限制。其次，電池的充電速率受鋰離子從電解質移動到陽極的速度的限制。為了推動未來電池容量的進步，我們需要新的先進材料，這些材料不僅可以顯著提高性能質量，還可以過渡到新的電池類型。

在今天的LIB中，石墨被用作陽極材料，然而，它有局限性。由于其10 m2/g的表面積小，石墨每六個碳原子只能存儲一個Li原子。與石墨不同，石墨烯（0個原子碳層）的表面積為2630 m 2 /g，這使得它能夠在板材的兩面（包括其邊緣）上固定鋰離子，從而大大提高了電池存儲能量的能力。石墨烯具有巨大的潛力，通過長期循環穩定性以較低的降解來保持電荷。由于其高表面積和優異的電子傳遞能力，使用石墨烯作為導電添加劑、支撐襯底或復合成分（例如含硅）可以顯著改善陰極中離子和電子的擴散和傳輸。

此外，石墨烯可以作為有效的電子傳輸途徑，降低LIB的內部電阻并增加其功率輸出。石墨烯卓越的機械性能提高了電極材料的耐用性，從而提高了速率能力和循環穩定性。在鋰離子電池中添加石墨烯可以解決導電性低和離子擴散不良的問題，這些導電性差會導致持續放電導致容量衰落，包括鋰硫、石墨烯-鋁混合電池、聚合物電池和不易燃石墨烯電池。

哪種石墨烯材料最適合儲能？

還原石墨烯氧化物（rGO）是電化學儲能應用中電極最常見的石墨烯形式。這很可能是因為rGO廣泛可用，并且電導率高于石墨烯氧化物（GO）和活性炭。雖然rGO經常在實驗室規模上使用，但當大量生產rGO時，會出現幾個問題。主要挑戰是存在問題的化學異質性導致的質量和價格、批次對批次可重現的一致性以及碳-氧鍵對sp2結構的不可避免的損害。這種損壞無法通過還原過程完全修復，這進一步降低了rGO的導電性。還有氧化過程中酸性廢物造成的環境損害問題。

一個有前途的解決方案是用非氧化方法制造的LTDF石墨烯。與rGO相比，LTDF具有高導電性、純度和結構完整性。這對電池尤為重要，因為與氧氣相關的雜質會損害導電性和電池性能。此外，與Li、GO和rGO相比，LTDF的表面積要高得多，這使得LTDF石墨烯片比目前使用的材料更適合用于電化學儲能幾個數量級。

現實世界鋰金屬電池應用最具挑戰性的方面之一是固體電解質間相（SEI）的形成，這有利于電荷放電周期中的樹突生長，導致內部短路（即火災和爆炸等物理風險危險）。然而，電池界尚未解決的關鍵問題一直是石墨烯化學和結構缺陷是有利還是有害于鋰金屬電池的應用。然而高缺陷的石墨烯會促進不穩定的SEI和有害的樹突生長。這項研究揭示了研究人員一段時間以來的猜測——LTDF石墨烯可以抑制鋰樹突的形成，這是對鋰電池的長期挑戰。更準確地說，由于片狀尺寸與電子路徑完整性之間的因果關系，橫向片尺寸會影響石墨烯的電化學性質。根據研究，片狀尺寸越大，鋰離子擴散途徑就越好。片狀尺寸越小，離子導電性降低越大，產生“屏障效應”，導致特定容量損失和速率性能下降。應該指出的是，這是一個活躍的學術研究領域。

使用低缺陷石墨烯儲存能源的商業實例

當用作超級電容器的電極材料時，Avadain的LTDF游離石墨烯片中有0.05%提供100%穩定的比電容，即使在10A/g的更高電流密度下，而活性炭和rGO的比電容下降了30%。與rGO和活性炭相比，Avadain的薄片還能夠更快地充電/放電，100%的放電深度和更高的功率密度。

當用作鋰離子電池電極的添加劑時，他們由甲烷使用等離子體化學制造的亞微米大小的石墨烯粉末與活性炭或石墨烯納米板（GNP-90S/cm）相比，電荷放電率顯著提高（550 S/cm）。Levidian聲稱，對于硬質電池原型來說，增幅高達20%，容量（138毫安時/克）略高于活性炭（116毫安時/克）。

通過將石墨烯堆棧（稱為3D石墨烯）納入其可充電鋰硫電池中的陰極，實現900 Wh/千克的能量密度，是典型的鋰離子電池的三倍，并具有高達1400個循環的連續電荷放電循環。Lyten的一項專利指出，它具有“由幾層石墨烯（FLG）片組成的陰極，定義了三維（3D）碳基多模態結構”。對Lyten的3D石墨烯知之甚少，但它似乎是由甲烷裂解產生的皺/折疊的石墨烯片或堆疊，導致亞微米的橫片狀尺寸。

審核編輯：劉清