（a）功能性石墨烯片結(jié)構(gòu)示意圖（上圖），具有理想的雙峰多孔結(jié)構(gòu)（較下方的圖像），這非常有利于鋰氧電池運(yùn)行。（b）鋰氧電池的放電曲線采用FGS（C / O = 14）作為空氣電極（PO2 = 2 ATM）。
來源：太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室 有一種這樣的系統(tǒng)就是金屬/空氣電池，它具有高得多規(guī)格能量，勝過現(xiàn)有的大多數(shù)原電池和充電電池。
“金屬/空氣電池是獨(dú)特的，因?yàn)檎龢O活性材料不是存儲在電池中，”張基廣（Ji-Guang Zhang）博士說，他是西北太平洋國家實(shí)驗(yàn)室（Pacific Northwest National Laboratory）轉(zhuǎn)型材料科學(xué)項(xiàng)目的研究員。
“相反，環(huán)境中的氧氣被還原，在空氣電極內(nèi)的催化表面，形成一種氧物化或過氧化氫離子（peroxide ion），進(jìn)一步與電解液中的陽離子（cationic）成分反應(yīng)。Li/O2偶特別有吸引力，因?yàn)樗赡芫哂凶罡叩囊?guī)格能量，在所有已知的電化學(xué)偶中都是這樣。” 在迄今探討的各種電化學(xué)儲能系統(tǒng)中，鋰空氣電池最有前途的一種技術(shù)，理論能量密度接近十倍于傳統(tǒng)的鋰離子電池。這是因?yàn)殇嚱饘僮鳛殛枠O，容量十倍于傳統(tǒng)石墨陽極，而氧氣作為鋰空氣電池的正極，可從環(huán)境中自由吸收，這就顯著減少了電池重量和成本。
為了用于實(shí)用設(shè)備如電動汽車，研究人員期望，鋰-空氣電池達(dá)到約800瓦時/千克的能量密度，這就三倍于最先進(jìn)的鋰離子電池。因此，鋰-空氣電池有極大潛力，可進(jìn)行許多應(yīng)用，這就要求能量儲存系統(tǒng)要超越鋰離子電池，如遠(yuǎn)程電動汽車，每次充電可以行駛500多公里。 報道他們的成果，是在2011年10月10日《納米快報》（Nano Letters）在線版，題目是《分層多孔石墨烯用作鋰空氣電池電極》（Hierarchically Porous Graphene as a Lithium-Air Battery Electrode），張基廣和他在西北太平洋國家實(shí)驗(yàn)室的小組證明，一種新的空氣電極，包含不尋常的分層排列功能化石墨烯薄片（無催化劑），可帶來極高的鋰氧電池容量，就是15000毫安時/克，這是這一領(lǐng)域有史以來報道的最高值。 這種鋰-空氣電池的性能受許多因素影響，如電解質(zhì)成分，宏觀結(jié)構(gòu)的空氣電極，微觀直到納米結(jié)構(gòu)的含碳材料。反應(yīng)產(chǎn)物（如Li2O2）沉淀在含碳電極上，最終會阻塞氧氣通道，限制鋰-空氣電池的容量。 太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室小組最近的工作，最大限度地減輕了空氣電極阻塞問題，顯著提高了的容量。
“以前的工作使用介孔炭或石墨烯薄片，或澆鑄成一種堆疊式二維結(jié)構(gòu)，這就限制了它的可用容量，”張基廣說。“我們的工作首次展示了一種自我組裝的、雙峰石墨烯結(jié)構(gòu)，既有微米大小的開放孔隙，可加快氧氣擴(kuò)散，也有大量納米孔隙（2-50納米），可催化Li-O2反應(yīng)，同時防止過快增長的放電產(chǎn)物阻塞化學(xué)通道。” 此外，研究表明，石墨烯的缺陷和功能組，有利于形成孤立的納米尺寸的Li2O2顆粒，有助于防止空氣電極中的空氣阻塞。成片石墨烯的分層有序多孔結(jié)構(gòu)，可進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，促進(jìn)使用這種結(jié)構(gòu)的大多數(shù)石墨薄片。 制備空氣電極采用功能化石墨烯薄片時，這種功能化石墨烯薄片首先要分散在微乳溶液中，這種溶液也包含電極粘結(jié)劑材料。經(jīng)澆鑄并干燥后，非常不尋常的形態(tài)就會制成。
“令人驚訝的是，這種功能化的石墨烯薄片聚合成松散堆積的“破蛋”結(jié)構(gòu)，留下很大的相互連接的隧道，一直穿進(jìn)整個電極深處，”張基廣說。“這些隧道作用就像眾多的動脈，不斷供應(yīng)氧氣進(jìn)入電極內(nèi)部，在放電過程中就是這樣。更重要的是，這種復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)在電解液滲透后仍然保留下來，不像測試過的其他多孔碳材料。”
他們用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察“碎蛋”的“殼”，研究人員發(fā)現(xiàn)，這些“殼”包含許多較小的連續(xù)納米孔，連通大隧道。張基廣指出，這種獨(dú)特的形態(tài)是一種理想的設(shè)計，可用于空氣電極。“在放電過程中，強(qiáng)大的大型隧道可以作為“高速公路”，供應(yīng)氧氣進(jìn)入空氣電極內(nèi)部，同時，壁上的小孔都是出口，提供三相（固態(tài)-液態(tài)-氣態(tài)）區(qū)域，進(jìn)行氧氣還原。” 一些障礙仍然需要克服，之后這種電池系統(tǒng)才可以大規(guī)模應(yīng)用。主要障礙包括：放電速度低；電解質(zhì)穩(wěn)定性和鋰-空氣電池的可逆性；需要氧氣選擇性膜，以減輕容量退化，這種退化源自水分滲透；需要防止鋰枝晶（dendrite）生長，以延長循環(huán)壽命。
