墨烯纸缩短锂电池充放电时间 将可驱动电动车

超级盾

据物理学家组织网近日报道，美国伦斯勒理工学院的研究人员将世界上最薄的材料石墨烯制成一张纸，然后用激光或照相机闪光灯的闪光震击，将其弄成千疮百孔状，致使该片材内部结构间隔扩大，以允许更多的电解质“润湿”及锂离子电池中的锂离子获得高速率通道的性能。这种石墨烯阳极材料比如今锂离子电池中惯用的石墨阳极充电或放电速度快10倍，未来可驱动电动车。
可充电的锂离子电池作为行业规格产品，用于手机、笔记本电脑和平板电脑、电动车等一系列设备中。锂离子电池具有高能量密度，可以存储大量的能量，但遭遇低功率密度时则无法迅速接收或释放能量。为了解决这个问题，该学院纳米材料专家尼基带领研究小组创建了一种新型电池，不仅可以容纳大量能量，还能很快地接收和释放能量。
研究人员说，锂离子电池技术的主要障碍在于，有限的功率密度和无法快速接收或释放大量的能量，而这种在结构设计上有“缺陷”的石墨烯纸电池可以帮助克服这些障碍。该成果一旦商业化，将对电动汽车和便携式电子产品中新电池和电气系统的发展带来显著影响。这种电池也可以大大缩短手机和笔记本电脑等便携式电子设备和响应器充电所需要的时间。
新型电池的解决方案是，先创建一大张石墨烯氧化物纸，其厚度与一张日常打印纸相当，并可制作成任何尺寸或形状，然后将石墨烯纸暴露在激光下和数码相机闪光灯的闪光下。激光或闪光的热量穿透纸面造成微小爆炸，石墨烯氧化物中的氧原子被驱逐出结构，石墨烯纸变得满目疮痍：无数裂缝、孔隙、空洞等瑕疵，逸出的氧气形成的压力也促使石墨烯纸扩大了5倍的厚度，由此，在单个石墨烯片中创建了很大的空隙。
研究人员发现，这种被损坏的单层石墨烯纸可成为锂离子电池的阳极，锂离子使用这些裂缝和孔隙作为捷径，在石墨烯中快速移进移出，极大提高了电池的整体功率密度。他们通过实验证明，该阳极材料比传统锂离子电池中的阳极充电或放电速度快10倍，而不会导致其能量密度的显著损失，甚至在超过1000个充电/放电周期后仍能持续成功运行。另外重要的是，石墨烯薄片的高导电性使得电子能够在阳极进行高效传输。
研究人员说，这些石墨烯纸阳极很容易调整，可以制作成任意的大小和形状，而且将其暴露于激光或照相机闪光灯的闪光下是一种简单、廉价的复制过程。他们下一步将用高功率的阴极材料与石墨烯的阳极材料配对，以构建一个完整的电池。
这项研究结果发表在近期美国化学学会《ACS纳米》杂志上。