石墨烯電池正在積極研究各種商業(yè)應(yīng)用。在傳統(tǒng)的金屬離子電池上開(kāi)發(fā)石墨烯電池時(shí)，性能和生命周期的改善是非常值得的。真正的石墨烯電池的突破來(lái)自于鋰-硫電池陰極的石墨烯-鋰-鋰混合化學(xué)反應(yīng)。這種技術(shù)將需要多年的商業(yè)化和深入研究。更先進(jìn)的石墨烯電池技術(shù)將需要大量的研發(fā)支出，并需要很多年才能商業(yè)化。

傳統(tǒng)的電池技術(shù)

鋰是可充電和不可充電電池中常用的材料。雖然堿性和鋅基電池是可用的，但由于它們的高電荷密度，它們的使用壽命通常較短。與鋰電池不同，這些電池不能在更高的電壓下運(yùn)行。

一個(gè)主要的(不可充電的)電池由兩個(gè)電極組成，只允許電流通過(guò)中間電解液流向一個(gè)方向。次級(jí)(可充電)電池仍然包含兩個(gè)電極，但是鋰離子可以在兩個(gè)方向上流動(dòng)，這取決于充電或放電。

陽(yáng)極是典型的鋰基(金屬氧化物)化合物，而陰極是一種多孔碳。陽(yáng)極和陰極都具有固定的孔結(jié)構(gòu)，使鋰離子在電流的作用下進(jìn)入孔內(nèi)。當(dāng)沒(méi)有電流被應(yīng)用時(shí)，離子會(huì)吸附到電解質(zhì)溶液中。

鋰離子的吸收可以在陰極和陽(yáng)極上進(jìn)行。當(dāng)電池被使用時(shí)，離子向陰極移動(dòng)。在充電過(guò)程中，電流被反轉(zhuǎn)，離子被吸收進(jìn)陽(yáng)極。這個(gè)過(guò)程允許產(chǎn)生許多周期，從而延長(zhǎng)壽命。陰極的選擇材料是傳統(tǒng)的石墨，但它可以因陽(yáng)極而異。最常見(jiàn)的類(lèi)型包括Li4Ti5O12、LiNiCoAlO2、LiFePO4、LiNiMnCoO2(NMC)、LiCoO2和LiMn2O4。

石墨烯電池技術(shù)

石墨烯電池技術(shù)的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)電池技術(shù)相似，兩個(gè)電極和一個(gè)電解質(zhì)溶液用于促進(jìn)離子轉(zhuǎn)移。石墨烯電池和固態(tài)電池的主要區(qū)別在于一個(gè)或兩個(gè)電極的組成。

這種變化主要存在于陰極，但也有可能在陽(yáng)極中利用碳源。傳統(tǒng)電池的陰極完全由固態(tài)材料組成，而合成材料則是一種含有固態(tài)金屬材料和石墨烯的混合材料，作為石墨烯電池的陰極。

根據(jù)預(yù)期的應(yīng)用程序，復(fù)合材料中的石墨烯的數(shù)量可能有所不同。在電極中加入的石墨烯通常是基于性能要求，取決于固態(tài)前體材料的現(xiàn)有效率和/或缺點(diǎn)。

石墨烯電池突破

真正的石墨烯電池的突破是將石墨烯-鋰離子混合化學(xué)物質(zhì)加入到鋰硫電池的陰極中。石墨烯電池沒(méi)有使用純石墨烯電極，許多石墨烯電極都是用類(lèi)似傳統(tǒng)電池的方式制造和操作的。

通過(guò)將石墨烯添加到電極配方中，改善了其性能。基于無(wú)機(jī)的電極在密度、電導(dǎo)率、表面積、容量、電容或周期等方面都有局限性。

石墨烯是一種多才多藝的分子，擁有許多獨(dú)特的、令人滿(mǎn)意的特性，而且它可以以多種方式被采用，因?yàn)闆](méi)有一種適合所有使用石墨烯的解決方案。石墨烯用于改進(jìn)現(xiàn)有的許多傳統(tǒng)材料的優(yōu)點(diǎn)，但它也有助于克服先前的電池限制，從而提高電池壽命或性能。

在電極中，石墨烯以?xún)煞N一般的方式工作，既可以作為復(fù)合材料，也可以作為一種輔助材料。作為一種輔助材料，石墨烯有助于保持金屬離子的正常有序，這有助于提高電極的效率。石墨烯作為一種電極的復(fù)合材料，通常參與到電荷本身的簡(jiǎn)化過(guò)程中，它的高電導(dǎo)率和有序結(jié)構(gòu)是對(duì)其非石墨烯先導(dǎo)物進(jìn)行改進(jìn)的重要屬性。

石墨烯電池技術(shù)

電池的壽命與每個(gè)充電/放電周期電極表面發(fā)生的副反應(yīng)的程度有關(guān)。這些寄生過(guò)程的速率與涂在材料上或在電極上添加的碳量直接相關(guān)，以達(dá)到必要的電導(dǎo)率。石墨烯基電極是用傳統(tǒng)電極中所使用的碳的一小部分來(lái)制備的，從而使壽命延長(zhǎng)。基于石墨烯的超級(jí)電容薄膜將能夠在幾分鐘內(nèi)完全充電，而不是傳統(tǒng)電池所需要的幾個(gè)小時(shí)。但是，盡管它可能比標(biāo)準(zhǔn)電池更快地充電和釋放能量，但它們目前的能量卻不那么大。科學(xué)家們希望通過(guò)進(jìn)一步研究改變的一個(gè)方面。