鋰離子電池與體積和重量相比具有良好的容量。然而，有一個缺點(diǎn):充電要花很長時間。另一個缺點(diǎn)是它們的最大輸出功率。鋰離子電池的容量可能很大，但其最大輸出功率有限，因?yàn)榇嬖谶^熱的風(fēng)險。

 

石墨烯電池是通過增強(qiáng)現(xiàn)有鋰離子電池來制造的。這是通過用石墨烯豐富電極來實(shí)現(xiàn)的，石墨烯改變了它們的化學(xué)和物理性質(zhì)。結(jié)果提高了充電/放電速率特性，提高了容量。提高放電率意味著石墨烯電池的最大輸出功率更高。

 

石墨烯電池是一種新技術(shù)，到2013年，它們剛剛投入批量生產(chǎn)。這意味著他們?nèi)栽谘芯恐?。最?yōu)的制造工藝還有待發(fā)現(xiàn)。這方面缺乏知識，同行評議的科學(xué)資料仍然很少。

 

 

石墨烯電池是怎樣制成的?

 

石墨烯氧化釩電池

 

萊斯大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種新的材料，它是氧化釩(VO2)和石墨烯的混合物。這種混合物可以用于鋰離子電池陰極。

 

測量結(jié)果表明，這些混合陰極能在20秒內(nèi)完全充放電，并能承受超過1000次的電荷循環(huán)。在1000次循環(huán)后，其容量仍比名義值的90%要好。

 

釩氧化物在鋰離子電池中具有較高的能量。這是因?yàn)樗麄兿窈＞d一樣收集鋰離子。使用釩氧化物(VO2)或釩五氧化物(VO5)的缺點(diǎn)是，一般來說氧化物是壞的導(dǎo)電體。低電導(dǎo)率導(dǎo)致較慢的充電/放電速率。

 

科學(xué)家們找到了一種使用石墨烯的方法，石墨烯是一種極好的導(dǎo)體，它是一種附著在氧化釩上的結(jié)構(gòu)骨架。這種混合動力從氧化釩和石墨烯中具有良好的導(dǎo)電性，可以快速充電。

 

這一過程包括將氧化石墨納米薄片與粉化的VO5混合。這種混合物懸浮在水中，加熱到高溫。在這樣的溫度下，五氧化二釩降低到VO2，而石墨氧化物則降低到石墨烯。當(dāng)VO2結(jié)晶時，它形成約10nm厚和600nm寬的納米帶，單層石墨烯涂層。這些條帶有幾十微米長，而且它們有一個非常大的比表面積，這使得由于VO2的離子浸漬性能和石墨烯的高電導(dǎo)率，電子和鋰離子的擴(kuò)散速度非?？?。這兩個特性結(jié)合在一起，可以快速充電和放電速率，以及這些電池的最高功率輸出。

 

制造石墨烯電池的真正技術(shù)難點(diǎn)是實(shí)際制造的vo2 -石墨烯混合材料。為了生產(chǎn)這種混合動力，必須非常精確地控制溫度、壓力和混合濃度等工藝條件。工藝參數(shù)現(xiàn)在比較出名，可以容易控制，允許大規(guī)模生產(chǎn)。

 

石墨烯磷酸鐵鋰電池

 

LiFePo4電池，也叫LFP(磷酸鐵鋰)可充電電池使用LiFePo4作為陰極。LFP電池是一種可充電的鋰離子電池。盡管它們的能量密度比其他一些消費(fèi)級鋰離子電池低，但它們的功率密度更高。功率密度是電池提供能量的一個指標(biāo)。由于它們的功率密度較高，它們在電動汽車上尤其有趣。與其他鋰離子技術(shù)相比，LiFePo4電池的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性要好得多。在充電過程中，它們很難被點(diǎn)燃，而LFP電池在失敗之前可以處理比其他鋰電池更多的濫用。

 

2010年9月，一群科學(xué)家首次發(fā)表了一篇關(guān)于使用石墨烯來增強(qiáng)電池陰極的論文。他們的研究結(jié)果令人吃驚。他們的石墨烯電池的充電速度比鋰離子電池快很多倍，而且電池容量也更大，比傳統(tǒng)的LFP電池的理論最大值還要大。

 

他們是如何制造出這種石墨烯增強(qiáng)電池的?基本上，他們創(chuàng)造了一種新的復(fù)合材料，由LiFePo4和石墨烯組成。為了做到這一點(diǎn)，他們將生命po4納米顆粒與氧化石墨烯納米薄片結(jié)合在一起，并使用了諸如噴霧干燥和退火等工藝。結(jié)果是一種由生活po4原生納米粒子組成的材料，嵌入在次級球形微粒中，用石墨烯薄片的三維網(wǎng)絡(luò)松散地包裹在一起。

 

石墨烯是一種極好的導(dǎo)電體，其電子遷移率和遷移率大大提高。石墨烯薄片上的納米尺寸的孔允許在三維石墨烯基體中增加Li+的流動性。他們所創(chuàng)造的基本上是一個離子海綿，可以吸收鋰離子，同時允許電子在母體內(nèi)自由移動。

 

當(dāng)應(yīng)用到石墨烯電池時，這種新型的lifepo4 -石墨烯復(fù)合材料產(chǎn)生了巨大的效果，并使電池具有一些優(yōu)異的性能。首先，具體的容量是每克70 mAh。這意味著你的手機(jī)電池重量可能低于20克。重量的減少是對電動汽車的一個熱烈歡迎，它可以使用數(shù)百公斤的電池來運(yùn)行。費(fèi)用和排放率也得到了改善。這些改進(jìn)的LFP石墨烯電池可以在10C充電，在20C放電，1000個周期，只有15%的容量衰減率。為了更好地理解這一點(diǎn)，如果一個電池的額定功率是1200 mAh，這意味著它可以在理論上提供一個小時1200馬力的電流。在此背景下，1C表示額定電流，在我們的例子中是1200 mA。普通鋰離子電池在0.5 - 0.8C充電，放電至1C。另一方面，這些改進(jìn)的石墨烯電池能夠可靠地充電和放電，比傳統(tǒng)的鋰離子電池高出20倍。峰值放電率安全增加到70C，這是電池功率密度的70倍。

 

石墨烯電池應(yīng)用

 

快速充電石墨烯電池可能是電動汽車能量存儲單元的下一步。傳統(tǒng)的電動汽車電池充電需要很長時間，在某些情況下需要5個小時。即使是在完全充電的情況下，它們也能提供大約50英里的行駛里程。石墨烯電池可以提供相同的范圍，但充電時間可以縮短到半小時。