为什么要研究石墨烯电池？石墨烯电池有哪些优势？
来源：宝鄂实业
2019-05-29 11:38
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锂离子电池是在高能和最小重量的情况下使用的，但技术是脆弱的，需要保护电路来保证安全。应用程序包括手机和各种各样的计算机。锂离子聚合物(Li-ion聚合物)电池主要存在于手机中。它们重量轻，而且比锂离子电池更苗条。他们通常更安全，寿命也更长。然而，由于锂离子电池制造成本更低，而且能量密度更高，它们似乎不那么普遍。
虽然有某些类型的电池能够储存大量的能量，但是它们体积很大，重量很重，释放的能量也很慢。另一方面，电容器能够快速充电和放电，但其能量比电池要少得多。然而，石墨烯在这一领域的使用，为能源储存提供了令人兴奋的新可能性，高电荷和放电率，甚至经济的可承受性。石墨烯改进的性能因此模糊了超级电容器和电池之间的传统界限。
石墨烯是一种由碳原子结合形成的蜂窝状晶格结构，由于它所拥有的无数惊人的属性，它被公认为是一种“神奇的材料”。它是电和热能的有效导体，极轻的化学惰性，并且具有较大的表面积。它也被认为是环保和可持续的，有无限的可能性，无数的应用。
在电池领域，随着石墨烯的增强，传统的电池电极材料(以及预期电极材料)有了显著的提高。石墨烯可制造轻便、耐用、适用于高容量储能的电池，并缩短充电时间。它将延长电池的寿命，这与涂在材料上或添加到电极上以达到导电性的碳量负相关，而石墨烯在不需要常规电池使用的碳量的情况下增加电导率。
石墨烯可以通过多种方式提高电池的能量密度和形状。锂离子电池可以通过将石墨烯引入电池的阳极，利用材料的电导率和大表面积特性来实现形态优化和性能。
人们发现，制造混合材料也有助于电池的增强。以钒氧化物(VO2)和石墨烯为例，可以在锂离子阴极上使用，并可快速充电和放电，同时也可实现大电荷循环的耐久性。在这种情况下，VO2提供了高的能量容量，但是电导率很低，可以用石墨烯作为一种结构的“主干”来解决这一问题，从而使VO2产生一种既能提高容量又具有良好导电性的混合材料。
此外，还发现，制造混合材料也可以用于实现电池的另一个例子是LFP(磷酸铁锂)电池，这是一种可充电的锂离子电池。它的能量密度比其他锂离子电池要低，但功率密度更高(这是电池提供能量的一个指标)。用石墨烯来增强LFP阴极，使电池重量轻，比锂离子电池快得多，并且比传统的LFP电池有更大的容量。
韩国高级科学技术研究所(KAIST)的研究人员开发了一种石墨烯基水混合电容器，这种电容器既稳定、安全，又具有高能量和功率密度，而且在30秒内充电。这种新型电容器是用一种介于特殊设计的阳极和阴极之间的液体电解质制成的。阳极是由基于石墨烯的聚合物链材料制成的，这使其具有很高的表面积，从而使其储存更多的能量。阴极材料是由嵌入石墨烯的氧化镍纳米粒子组成。
石墨烯增强的钠离子电池有望成为廉价、有效的锂替代物。华盛顿州立大学的研究人员正在研究以石墨烯为基础的钠离子电池，这种电池可以为锂离子电池提供一种更便宜、更可行的替代品。研究人员使用了在石墨烯结构上支持的氧化锡纳米晶体，以极大地改善电池的性能。
