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本文詳細介紹了石墨烯電池的工作原理及其優點，並提供了可立即採取的可操作步驟，可用於開發石墨烯電池。全文共計約7000字，包括四項來自前沿的學術研究，一項其中成熟的石墨烯電極設計(DOE)，用於石墨烯鋰硫電池，這是當前的前沿技術，供參考。 ...石墨烯分子結構 石墨烯電池正被積極地研究用於許多商業應用。與傳統的金屬離子電池相比，石墨烯電池在性能和生命周期方面的優勢值得投入資源。埃隆·馬斯克(Elon Musk)的特斯拉汽車(Tesla Motors)就是一個創新公司積極追求石墨烯電池研究和商業化的著名例子。 我們相信，真正的石墨烯電池突破將來自石墨烯-鋰離子混合化學反應，這些化學反應被整合到鋰硫電池的陰極中。 這種技術離商業化還有很長一段時間，目前正在進行深入的研究。更具創新性的石墨烯電池技術將需要大量的研發支出，並需要多年時間才能實現商業化。 傳統的電池技術 ...傳統電池的剖面圖 電池，無論是否可充電，一般都使用鋰。鋅電池和鹼性電池是可用的，但它們通常有一個較短的壽命，因為它們的高電荷密度。與鋰電池不同，鋰電池不能在更高的電壓下工作。 一次電池(不可充電)由兩個電極組成，允許電流通過中間電解質只向一個方向流動。 二次(可充電)電池仍然由兩個電極組成，但是鋰離子可以向兩個方向流動，這取決於充電還是放電。 陽極通常是鋰基(金屬氧化物)化合物，陰極是多孔碳。正極和負極都有一個固定的孔結構，當施加電流時，允許鋰離子吸收到孔中。當沒有電流作用時，離子會分解到電解質溶液中。鋰離子的吸收可以發生在陽極和陰極上。 當電池使用時，離子移向陰極。充電時，電流反向，離子被吸收到陽極。這個過程允許產生許多循環，從而提高了壽命。傳統上選擇的陰極是石墨，陽極可以是多種多樣的，但常見的有LiCoO2, LiMn2O4, LiNiMnCoO2 (NMC), LiFePO4, LiNiCoAlO2 a和 Li4Ti5O12。 石墨烯電池技術 ...石墨烯電池有助於清潔電池 石墨烯電池可以減少電池使用對環境的影響 石墨烯電池技術的結構與傳統電池相似，它有兩個電極和電解質溶液來促進離子轉移。固態電池和石墨烯電池的主要區別在於一個或兩個電極的組成。變化主要發生在陰極上，但在陽極上也可以利用碳的同素異形體。 傳統電池的陰極是純固態材料，而石墨烯電池的陰極是複合材料——一種由固態金屬材料和石墨烯組成的混合材料。複合材料中石墨烯的含量可以根據預期的應用而變化。石墨烯加入電極的量通常取決於性能要求，並基於固態前體材料現有的效率和/或弱點。 石墨烯電池突破 真正突破石墨烯電池的是石墨烯-鋰離子混合化學反應，如本指南所詳細介紹的，它被納入鋰硫電池的陰極中。石墨烯電池中沒有純石墨烯電極，許多基於石墨烯的電極是用與傳統電池類似的方法製造的。通過在電極配方中加入石墨烯，它們的性能得到了提高。 一般來說，無機鹽基電極有其局限性，如表面積、密度、容量、循環時間、電導率或電容等。由於石墨烯是一種多用途分子，具有許多獨特和理想的特性，因此可以採用多種方式，因為石墨烯沒有「一刀切」的解決方案。石墨烯被用來增強傳統材料已經具備的許多優點，但它也有助於突破以前的電池限制，提高電池性能或壽命。 石墨烯在電極中的工作方式有兩種，一種是作為支撐體，另一種是作為複合材料/混合材料。作為支撐材料，石墨烯有助於保持金屬離子的有序排列，這通常有助於提高電極效率。作為電極中的一種複合材料，石墨烯起到了不同的作用，因為它們通常更多地參與了電荷本身的促進作用，而其高導電性和良好的結構對於改進其非石墨烯前輩是至關重要的。 下面詳細介紹了石墨烯是如何使特定的電池應用成為可能的。 鋰離子電池 石墨電池正迅速變得比以前的石墨電池更受歡迎。石墨烯電池是一種新興的技術，它可以增加電極密度，縮短循環時間，並能延長充電時間，從而提高電池壽命。石墨電池已經很成熟，並且有多種形式。與石墨類似，現在有各種類型的功能性石墨烯衍生電極，研究人員發現，與純石墨電極相比，石墨烯衍生電極有多種好處。 Graphene-Metal氧化物混合物 如前所述，石墨在歷史上一直被用作初級陰極材料，鋰離子會遷移到結構孔中。然而，石墨烯沒有這種能力。相反，由於石墨烯的表面積大，鋰離子可以通過表面吸附和誘導成鍵來存儲。當石墨烯衍生物存在且鋰離子與功能化表面結合時，通常會發生誘導結合。石墨烯電極除了具有較大的表面積外，還具有較高的導電性。 傳統上用於電池的許多金屬氧化物都有導電率低、體積能量密度低和接觸點丟失等缺陷。通過將金屬氧化物基體與石墨烯混合，由於間隙離子與混合基體之間的相互作用得到極大改善，許多此類問題得以解決，電導率也變得更大。 為了製備石墨烯-金屬氧化物納米顆粒雜化物，石墨烯在合成過程中充當模板，由於石墨烯具有規則的重複結構，生成均勻分布的基體。這一過程也限制了納米顆粒的聚集，促進了鋰充電和放電循環中納米顆粒的大表面積。 因此，比容量和循環性能提高了純鉬基電極。石墨烯-鉬混合電極可在前10個循環中顯示高達1100 mAhg1。即使經過130次循環，比能量密度仍維持在1000mAhg1。 Graphene-Carbon納米管/富勒烯混合物 雖然沒有被廣泛報導，但由石墨烯和碳納米管和/或富勒烯組成的電極已經實現。由6-15層單層石墨烯構成的電極層相互層疊，其比容量為540 mAhg1，由於其表面積更大，與石墨電極相比，這是一個巨大的進步。 通過用碳納米管或富勒烯分散石墨烯片，可以增加石墨烯間的間距。這種額外的間距為鋰離子創造了額外的空腔，與堆疊的石墨烯電極相比，可增加高達40%的比容量。 石墨烯鋰硫電池 ...石墨烯鋰硫電池 鋰硫電池具有成本低、毒性小、能量密度為2567 W h kg-1的潛力，是現有鋰電池的5倍，有可能在商業應用中取代鋰離子電池。正因為如此，它們引起了許多人的興趣。 然而，鋰硫電池有幾個明顯的缺點，阻止了它們進入商業市場。第一種是無機鹽在陰極的沉積，這是由於電池具有高度可溶的反應物。鹽的沉積導致活性物質的損失，低庫侖效率，低硫陰極的利用率和循環壽命的降低。 第二個主要問題是，硫的電導率本來就很低。使用石墨烯作為硫離子的載體，消除了硫電池中由於前面提到的許多特性而產生的一些相關問題;具有導電性高、機械強度好、化學/熱穩定性好、表面積大等優點。高表面積提供了良好的分散硫，這調節了硫離子的動員，防止了硫離子在陰極上積聚。石墨烯負載硫粒子的生產也可以通過一方法合成。 鋰-硫電池的性能在很大程度上取決於電極中硫的濃度(以及有效的石墨烯硫比)。從目前生產的電極來看，含硫較高的電極性能最好。含63 wt%硫的電極產生731 mAhg1的容量，有可能達到1160 mAhg1的容量。經過50次循環後，容量保持在700mAhg1。這至少是其他硫-石墨烯電極的兩倍，而且它們在高速率循環下也很穩定。當硫結合還沒有達到100%的效率時，細胞的一些降解確實發生了。 儘管如此，與非石墨烯基硫電極相比，石墨烯支持的硫電極表現出了巨大的改善。 石墨烯超級電容器 ...石墨烯作為超級電容器 超級電容器在電子領域是一種有價值的商品，它可以儲存比標準電容器多100多倍的能量。超級電容器也能在低溫條件下工作，並經常被用來代替電化學電池。 超電容材料的主要特性之一是能夠形成雙電層。這在電雙層電容器(EDLC)超級電容器中是必不可少的。超級電容器的工作原理是通過極化在電極-電解質介面積聚電荷，從而儲存能量。活性炭一直是傳統的電極選擇，但它無法在高壓下工作。 石墨烯及其衍生物具有高比表面積、高導電性、開孔結構、生產潛力和低成本等優點；所有這些都是超級電容器的理想性能。 石墨烯-金屬氧化物複合電極 ...金屬氧化物石墨烯電極 石墨烯氧化鉬電極 與標準電容電極相比，石墨烯和金屬氧化物複合電極提供了一個電容增加的新領域。常見的金屬氧化物有 ZnO2, SnO2, Co3O4 和 MnO2。 二氧化錳石墨烯複合材料是最有前途的，因為錳離子可以採用可變的氧化態。III態和IV態之間的氧化還原反應涉及到電解質溶液中金屬離子的插入(如Li+、Na+)，這有助於能量的儲存。 除了高效離子插層外，石墨烯薄片還產生了一個大表面積的導電網絡，這有助於進一步促進離子與電極之間的相互作用。石墨烯-鉬複合材料的比電容為310Fg-1，是純石墨烯或金屬氧化物電極的三倍。使用石墨烯-鉬複合材料2000次循環後，比電容的95.6%仍可保持。 如前所述，超級電容器目前在某些應用中比電化學電池更受青睞。然而，使用超級電容器的一個問題是能量密度較低。石墨烯被加入到超級電容器的負極中，以增加能量密度，同時保持較高的功率密度。以石墨烯為負極，納米線-石墨烯複合材料為正極的超級電容器已被開發出來。該電容器的設置是不對稱的，在工作電壓為2v時，其高能密度為30.4 Whkg-1。 石墨烯超級電容器在能量密度和功率密度方面均優於其他電容器，在超級電容器領域具有廣闊的應用前景。 Graphene-Polymer複合電極 ...石墨烯聚合物電極 石墨烯-聚合物複合電極 雖然石墨烯-聚合物複合材料與其他石墨烯基複合材料相比不具有高導電性，但它們具有高的充放電率、柔韌性和高的摻雜性能。石墨烯-聚合物複合材料是通過n和p摻雜的氧化還原反應來進行的，在這種反應中，電子丟失/獲得來轉換和儲存能量。 氧化石墨烯和含氮聚合物是製造石墨烯-聚合物電極複合材料的最佳材料。官能團的聚合促進了複合材料兩組分之間的強pi-pi相互作用，這導致了較大的表面積和半柔性結構，可以在循環充放電過程中發生機械變形。這些石墨烯-聚合物複合材料可以顯示高達531 Fg-1和保留高達74%的電容後，2000循環。 Graphene-CNT電極 ...在石墨烯片之間排列的碳納米管 和鋰離子電池一樣，碳納米管被用來增加不同單分子層之間的石墨烯間距。與單層石墨烯相比，多層石墨烯電極的表面積會減小。通過在電極中引入納米管，提高了電極的納米孔和電導率。 納米管可用於石墨烯基體的二維或三維結構，其平均比電容分別為120 Fg-1和386 Fg-1。在三維石墨烯-碳納米管中，經過2000次循環後，電容甚至可以增加20%，表明這些電極具有良好的電化學穩定性。 石墨烯的燃料電池 ...燃料電池中的石墨烯電極 燃料電池內部情況 燃料電池不同於電池和電容器，因為它們產生電能而不是儲存電能。許多燃料電池含有一種鉑基催化劑，這種催化劑的生產成本非常高。為了使燃料電池的成本降到最低，鉑催化劑的載體是碳同素異位體。 石墨烯就是這樣一種催化劑載體。氧化石墨烯具有良好的分散性、較大的表面積和較高的導電性(降低時)，因此，將石墨烯整合到燃料電池使用的複合材料中，可以提高設備的完整性和效率。 石墨烯被用在一些燃料電池中，以幫助促進甲醇的氧化。人們發現，石墨烯比碳納米管和炭黑等其他碳同素異形體更有效。石墨烯的二維薄片為電子/離子運輸提供了更大的活性表面積，因為薄片的兩面都暴露在燃料電池內的溶液中。 石墨烯表面的均勻性還可以防止聚集，促進鉑顆粒在支架上的均勻分布。石墨烯結構的表面缺陷也增加了石墨烯載體與鉑顆粒之間的相互作用。鉑-石墨烯支撐的燃料電池的電流密度可達0.12 mA cm-2，至少是其他碳基支撐的三倍。 經過氮等離子體處理後，石墨烯可與氮摻雜。摻雜石墨烯表面有氮基官能團，這使得鉑納米顆粒具有更好的分散和裝飾效果。與未摻雜的石墨烯相比，摻雜石墨烯具有更高的導電性和電催化活性。摻雜石墨烯的氧化電流是未摻雜石墨烯的兩倍。 實驗設計-合成石墨烯基電池電極 將石墨烯和金屬基無機化合物轉化為可用的石墨烯電極複合材料的方法有很多種。隨著這個新領域的發展，新的方法不斷被發明和發表。到目前為止，這些方法包括原位雜交、原位結晶、化學還原、化學沉積、溶膠-凝膠法、水熱法、電化學沉積、熱蒸發和原位自組裝，這是一些最常用的方法。 與任何方法一樣，總是有多種方法來合成材料本身。覆蓋每一個都是不現實的，所以我們來看看一些具體的方法，你可以將石墨烯應用到複合材料中，在石墨烯電池研發項目中用作電極。所使用的值來自已發表的實驗，僅用於說明比率。數量和規模可以改變，以更好地適應特定的實驗。 石墨烯-硫鋰電池 石墨烯-硫雜化劑的製備- G/S雜化劑是由氧化石墨烯與溶硫CS2和醇溶液的水熱還原組裝而成。簡而言之，將50毫升氧化石墨烯水分散體和15毫升酒精混合，然後加入3毫升含有100、150和200毫克溶解硫的CS2(調整樣品中的硫含量)到氧化石墨烯分散體中。混合攪拌了90分鐘,然後密封在一個80毫升Teflon-lined不鏽鋼高壓釜在180 C為熱液反應10 h。G / S的黑色缸水凝膠由乙醇和蒸餾水清洗,然後濕水凝膠是冷凍乾燥得到G / S混合物。 石墨烯-硫雜化(粉體)- G/S雜化(粉體)的製備方法與G/S雜化(粉體)相同的水熱條件下，將90 mg的插層-去角質石墨烯與150 mg的熱去角質還原石墨烯混合，製備成G/S雜化(粉體)。G/Smix是在相同條件下，不含CS2的情況下，將- 50 mL的氧化石墨烯(GO)水分散體、15 mL的酒精和150 mg的硫混合製成的。 將G/S雜化物切割、壓縮並成形為直徑為12mm的圓形球團，直接用作陰極。G/S電極的質量負荷約為2mg cm2。G S59 G S60混合(粉)陰極是由混合90 wt % G S59或G S60混合(粉)與10 wt %聚偏二氟乙烯溶解在N-methyl-2-pyrrolidone粘合劑形成泥漿,塗在鋁箔和干在70 C真空下12 h。箔壓雙輥之間,形成一個圓形顆粒直徑12毫米,和作為陰極。電解質是1.0 M鋰雙三氟甲烷磺醯亞胺在1,3-二氧雜環己烷和1,2-二甲氧基乙烷(1:1的體積)與0.5 wt %的LiNO3添加劑。 下面是另外三種石墨烯電極DOE 為了製作一個純石墨烯電極，將石墨烯氧化物粉末(100 mg)分散在蒸餾水(30 mL)中，超聲30分鐘。將懸浮液放在熱板上加熱至100°C，並加入水合肼(3ml)。將懸浮液在98°C下保持24小時，將氧化石墨烯還原為還原氧化石墨烯。還原後的氧化石墨烯可通過過濾收集，留下黑色粉末。用蒸餾水將過濾後的粉末洗幾次，以去除多餘的聯氨。通過超聲波將石墨烯粉末重新分散到水中。將溶液離心(4000轉/分，3分鐘)以去除較大的顆粒。通過真空過濾收集石墨烯並在真空中乾燥。如果您購買了rGO，則可以跳過此步驟。 為了製作電極，將石墨烯分散在乙醇中，直到達到0.2 mgmL-1的濃度。用真空過濾法過濾懸浮液，收集在微孔濾紙上。將過濾後的石墨烯切成1 x 2平方厘米(1 mg重量)，即可使用。將其與電解液緩衝液連接到電池上，測試石墨烯電極。 第二種方法詳細介紹了用於鋰離子電池電極的鈷-石墨烯混合電極的製備。製備電極時，將氧化石墨烯(0.1 g)加入醋酸鈷(350 mg)和去離子水(400 mL)中。解決方案添加摘要(3800µL)和肼(250µL)和攪拌4 h在100°C。反應結束後過濾溶液。200℃加熱6小時，使溶液重新結晶。 最後一種方法是製造用於鋰離子電池的錫-石墨烯納米帶複合電極。為了製作電極，加入石墨烯納米帶(GNR) (75 mg)， SnCl2。H2O (1.33g, 5.89 mmol)， 2-吡咯烷酮(65 mL)和一個磁攪拌器棒到一個乾燥的圓底燒瓶。將溶液超聲20分鐘，然後回流1小時。將容器冷卻至室溫，在露天環境中超聲過夜。三次淬火用丙酮和水的混合物,在聚四氟乙烯膜過濾(0.45µm)。在真空(60℃)中乾燥24小時，在石英爐(500°C, Ar氣氛)中退火2h。理論產量為380毫克。 石墨烯產品 ...等離子體剝離石墨烯納米薄片 石墨烯納米薄片(GNPs)為電池應用提供了一些最佳性能。GNPs可用於替代其他碳基材料。GNPs具有良好的導電性和導熱性，機械穩定性好，可提供導電性增強、機械強度增強、透氣性降低的複合材料。 石墨烯納米薄片是由等離子體剝離產生的。等離子去角質工藝可以生產出高品質的gnp，其缺陷更少，內部導電性更高。石墨烯納米粒子由多個石墨烯層組成，厚度一般在3- 10nm之間，在高剪切條件下(如3輥軋機或均質機)易碎。gnp具有不同的功能基團，包括氮基、氧基、氟和胺基。非功能化的GNPs(氬處理過的)也可用。生產方法是可伸縮的，因此gnp可以在大容量和更大規模的應用程式中實現。 氧化石墨烯(以及還原氧化石墨烯)可作為粉末、分散體或自旋塗膜使用。Cheaptubes氧化石墨烯的元素組成包括35-42%的碳、45-55%的氧和3-5%的氫。 分散劑可以在不同的溶劑和濃度範圍內使用。石墨烯氧化膜由單層石墨烯氧化產物自旋塗覆在玻璃上，最終厚度為5-20納米。他們還擁有一個電導率的範圍104-105 Sm-1,與101-103 Ωsq-1的薄層電阻。 CVD石墨烯薄膜 石墨烯薄膜可以在矽、銅、PET和石英等多種基底上生長。如果它們與用於將石墨烯從基板上浮起的溶劑兼容，那麼它們也可以轉移到客戶提供的各種基板上，這樣石墨烯就可以重新沉積到基板上。作為石墨烯的替代品，可以使用導電碳納米管複合添加劑。為提高鋰離子電極效率而設計。作為碳納米管和炭黑的混合物，經過多次充放電循環後，它可以提高電極的tap密度(最高可達10%)和電容保持能力，而不會降低。該添加劑含有多壁碳納米管與專用炭黑混合。這種添加劑可用於電池的正極和負極。通常2-3 wt%用於陰極，1-2 wt%用於陽極。 結論 以石墨烯為基礎的電池在效率方面正迅速變得可與傳統固態電池相比。石墨烯存在於電極中的額外好處是有用的，即使效率不高。對於具有類似效率的電池來說，石墨烯電池是一個理想的選擇，這就是為什麼科學家們正試圖進一步推動這類電池的發展。它們已經開始在商業市場上獲得吸引力，用不了多久它們就會成為標準並逐步淘汰固態電池。 引用最近的預測:「到2022年，全球石墨烯電池市場預計將達到1.15億美元，在預測期間的複合年增長率為38.4%。」據估計，汽車工業將在整個分析期間主導市場。在地理上，歐洲有望成為2016年的主要市場，收入貢獻約38%。」 隨著全球能源需求的不斷增長，改善儲能設備同時減少與消費者電池使用相關的負面環境影響是一個崇高的目標，也是強調支持的目標。希望本文能幫助您了解當前石墨烯電池的研究趨勢，並啟發您開始石墨烯電池的開發。 文章轉載自公眾號：石墨烯雷達

內容簡介

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文章來源取自於：

每日頭條 https://kknews.cc/science/5j8kmyl.html

博客來 https://www.books.com.tw/exep/assp.php/888words/products/0010610245

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