 這種多孔石墨烯結(jié)構(gòu)外形很像破裂的蛋殼，它是圍繞氣泡制成，產(chǎn)生的鋰-空氣電池具有迄今最高的儲(chǔ)能容量。 來源：太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室 |
使用一種新的方法，研究小組制成一種石墨烯薄膜，可用于鋰-空氣電池，這有朝一日可能會(huì)取代傳統(tǒng)電池，用于電動(dòng)汽車。這種多孔石墨烯材料外形酷似珊瑚，可取代傳統(tǒng)的平整石墨烯薄片，用于鋰-空氣電池，這些孔在使用過程中會(huì)被微小顆粒堵塞。
這種石墨烯結(jié)構(gòu)外形很像破裂的蛋殼，它是圍繞氣泡制成，產(chǎn)生的鋰-空氣電池具有迄今最高的儲(chǔ)能容量，太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室（Pacific Northwest National Laboratory）和普林斯頓大學(xué)（Princeton University）的科學(xué)家這樣說。這種黑色、多孔材料可取代傳統(tǒng)的平整石墨烯薄片，用于鋰-空氣電池，在使用過程中，這些孔會(huì)被微小顆粒堵塞。另外一個(gè)好處是，研究小組的這種新材料，不依賴鉑（platinum）或其他貴金屬，這就降低了潛在成本和對環(huán)境的影響。
“這種自組裝的石墨烯薄片分層結(jié)構(gòu)是一種理想的設(shè)計(jì)，不僅可用于鋰-空氣電池，也可進(jìn)行其他許多潛在的能源應(yīng)用，”肖杰（Jie Xiao）博士說，他是西北太平洋國家實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)家，領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究。
這種鋰-空氣電池也會(huì)帶來遠(yuǎn)程電動(dòng)汽車，一次充電可行駛300英里。雖然相對而言重量輕，但這種鋰空氣電池仍然處于不利地位，原因是有限的實(shí)際容量和循環(huán)壽命差的問題。然而，這項(xiàng)研究說明，如何最大限度地提高電池的容量。
“這是個(gè)關(guān)鍵，可以進(jìn)行一些應(yīng)用，包括電動(dòng)汽車和能源存儲(chǔ)，”劉軍博士說，他是這項(xiàng)研究的材料科學(xué)家，也是西北太平洋國家實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)型材料科學(xué)項(xiàng)目主任，這一項(xiàng)目資助這項(xiàng)研究。
這個(gè)小組首先結(jié)合粘結(jié)劑與石墨烯，石墨烯是一種特殊形式的碳。在溶液中，粘結(jié)劑會(huì)分散石墨烯，就像肥皂會(huì)分散洗碗水中的油脂。這些石墨烯和粘結(jié)劑隨后再加入水中，進(jìn)行混合，采用的工藝會(huì)在溶液內(nèi)形成氣泡。石墨烯和粘結(jié)劑會(huì)在氣泡周圍成形并硬化。氣泡最終會(huì)破裂，帶有很多空心球的石墨烯就會(huì)留下來。這種微小的黑色顆粒直徑只有3至4微米，比人的頭發(fā)細(xì)十倍。
使用建模和顯微鏡，科學(xué)家們分析了石墨烯的結(jié)構(gòu)和性能。他們進(jìn)行密度泛函理論計(jì)算，使用的超級計(jì)算機(jī)系統(tǒng)屬于國家能源研究科學(xué)計(jì)算中心（National Energy Research Scientific Computing Center）。他們使用電子顯微鏡研究了這些顆粒，這是在環(huán)境分子科學(xué)實(shí)驗(yàn)室（Environmental Molecular Sciences Laboratory）進(jìn)行的。
研究人員發(fā)現(xiàn)，這種黑色多孔結(jié)構(gòu)，每克石墨烯可存儲(chǔ)15000毫安時(shí)以上，這使它具有更密集的儲(chǔ)能容量，勝過其他材料。
“現(xiàn)在，許多催化劑都在進(jìn)行研究，以用于這項(xiàng)技術(shù)。在我們的工藝中，我們的選擇是不使用貴金屬，”張基廣博士說，他是西北太平洋國家實(shí)驗(yàn)室鋰-空氣電池研究組組長。“這將大大降低生產(chǎn)成本，提高采用率。”
在氧氣環(huán)境中，這種電池實(shí)現(xiàn)了最高水平的儲(chǔ)能容量。在周圍環(huán)境空氣中使用時(shí)，容量會(huì)下降，因?yàn)榭諝庵械乃謺?huì)影響鋰電池中的金屬。西北太平洋國家實(shí)驗(yàn)室的小組正在開發(fā)一種薄膜，可以堵塞水分，但仍然能讓必要的氧氣流動(dòng)。
“我們也希望使這種電池可以充電，”張基廣說。“眼下，它還不能。它不是完全可以充電，我們正在研制一種新的電解質(zhì)和新的催化劑，這樣，這種電池就可以多次充電，有望進(jìn)行電池備份應(yīng)用，因而需要很高的能量密度。”
