详细解读基于氧化石墨烯的电化学电池

　　在过去的十年中，锂离子电池的电能已经被用来为电动汽车和混合动力汽车提供动力。锂离子电池也被用作笔记本电脑和手机等便携式电子设备的主要储能系统。然而，由于其低功率密度，锂离子电池取得了有限的成功，特别是在电动车辆和混合动力电动车辆的商业应用中。因此，今天在汽车应用中使用的锂离子电池常常与诸如传统内燃机或电容器的额外能源耦合。并入额外的能量存储系统不仅使电动车辆的设计复杂化，而且自然增加了车辆的成本，使其在经济上不太可行。

　　氧化石墨烯是以可变比率通过用强氧化剂处理石墨获得的碳，氧和氢的化合物。氧化的本体产物是C/O比为2.1-2.9的黄色固体。氧化石墨烯的结构和性质取决于特定的合成方法和氧化程度，然而，氧化石墨烯结构通常保留母体石墨的层结构，包括氧化石墨烯氧化物纳米片的堆叠层。另外，氧化石墨烯是亲水性的并且可以分散在水或水溶液中以形成胶体。

　　基于氧化石墨烯的电化学电池和包含多个电化学电池的电池在其中至少一个是这种基于氧化石墨烯的电化学电池。石墨烯基于氧化物的电化学电池10具有通过电解质水溶液14与阴极16分离的阳极12，全部包含在具有与阳极12和阴极16电接触的合适端子（未示出）的绝缘容器18中。非水电解质溶液14包含水，氧化石墨烯纳米片和溶解在水中的过渡金属盐例如CuCl2。

　　石墨烯的阳极氧化物基电化学电池可以由金属或合金制成。在一个实施例中，电化学电池的阳极是铝。在另一个实施例中，阳极可以是铁。在另一个实施例中，阳极可以是铜。在另一个实施例中，阳极可以是锌。在另一个实施例中，阳极可以是镁。在又一个实施方案中，阳极可以是包含至少两种选自铝，铁，铜，锌和镁的金属的合金。

　　由于石墨烯氧化物基电化学电池使用金属作为阳极，金属在放电期间作为“燃料”被消耗，即金属燃料被氧化，氧化的金属燃料离子以可还原形式保留在电解质溶液中（作为溶剂化离子，或与其他离子结合，例如在分子或复合物中）。包含金属燃料的电化学电池的显着问题是在闲置模式（例如储存）期间腐蚀或自放电的趋势。这通常意味着可用容量的损失。在更极端的情况下，自放电可能会导致放气，超压可能会破坏电池密封，最终导致电池故障。

　　氧化石墨烯形成纳米结构或纳米片的堆叠层。在一些实施例中，氧化石墨烯纳米片具有起皱和/或波纹形态，其中石墨烯的基面的皱纹或波纹的高度氧化物纳米片的范围从小于0.2nm至约3nm。在其他实施例中，高度可以在约0.5nm至约2.5nm的范围内。在其他实施例中，高度可以在约1nm至约2nm的范围内。在其他实施例中，高度可以在约0.5nm至约1.5nm的范围内。取决于化学结构，纳米片的尺寸和其他因素，氧化石墨烯纳米片的皱纹或起伏的数量可以变化，例如从1到大约10。另外，氧化石墨烯氧化物纳米片的堆叠层可以是波纹状的。皱纹，波纹或波纹状石墨烯氧化物纳米片具有比可比尺寸的非皱纹，非波纹或非波纹纳米片明显更大的表面积，有助于氧化石墨烯的高导电性。

　　取决于合成氧化石墨烯的方法，其包括但不限于电弧放电（下文描述），Hummers方法和Brodie方法，可以获得不同厚度的氧化石墨烯纳米片。在一个实施方案中，用于电化学电池中的氧化石墨烯纳米片具有4nm至8nm，优选5nm至7nm，更优选约6nm的平均厚度。石墨烯的宽度氧化物纳米片可以是几微米。在一个实施例中，氧化石墨烯纳米片具有约7μm的宽度。在一些实施例中，氧化石墨烯纳米片的宽度可以在约1μm至约20μm的范围内。在其他实施例中，宽度可以在从约3μm到约18μm的范围内。在其他实施例中，宽度可以在从约5微米到约15微米的范围内。在其他实施例中，宽度可以在从约7微米到约12微米的范围内。在其他实施例中，宽度可以在约8μm至约10μm的范围内。

　　取决于氧化石墨烯合成方法和合成后处理，石墨烯可以获得不同尺寸的氧化物纳米片。例如，通常用于加速石墨烯氧化物在水或水溶液中分散以形成胶体的超声处理减小了氧化石墨烯纳米片的尺寸。在一些实施例中，氧化石墨烯纳米片可以具有范围从约10nm到约1000nm的面积。在其他实施例中，氧化石墨烯纳米片的面积可以在20至900nm的范围内。在其他实施例中，氧化石墨烯纳米片的面积可以在40至800nm的范围内。在其他实施例中，石墨烯的面积氧化物纳米片可以在60-700nm范围内。在其他实施例中，氧化石墨烯纳米片的面积可以在80至600nm的范围内。在其他实施例中，氧化石墨烯纳米片的面积可以在100-500nm的范围内。在其他实施例中，氧化石墨烯纳米片的面积可以在150-400nm的范围内。在其他实施例中，氧化石墨烯纳米片的面积可以在200至300nm的范围内。

　　所述石墨烯氧化物基电化学电池是亚稳定的，因为多层石墨烯氧化物是一种亚稳态材料，其结构和化学性质在室温下进行，例如在20℃。C.，具有约一个月的特征性放松时间。在准平衡时，氧化石墨烯达到几乎稳定的O/C比降低，并且呈现出缺少环氧基团并富含羟基的结构。氧化石墨烯纳米片的结构和化学变化是由氧化石墨片中氢的可用性驱动的，这有利于环氧基团的减少和水分子的形成。

　　如此方法所述改变电极和电解质的组成可以改变开路电压，短路电流和最大功率。例如，选择除铝之外的金属或合金作为阳极可以改变开路电压。短路电流可以通过改变电解质的浓度来改变，例如氧化石墨烯和/或CuCl2。

　　此外，修改电解质的组成还可以改变电压和/或电流，导致石墨烯的最大功率的变化氧化物基电化学电池。例如，将一种或多种选自硝酸银和氯化金的过渡金属盐加入到包含氧化石墨烯和CuCl2的电解质水溶液中可以增加氧化石墨烯基电化学电池的电流和/或电压。在这种情况下，可以将硝酸银溶液和/或氯化金（AuCl3）溶液与石墨烯氧化物胶体，任选地接着超声处理。然后可以将该混合物与CuCl2粉末或浓缩的CuCl2储备溶液混合以获得最终的改性电解质溶液。在一些实施方案中，改性电解质溶液中硝酸银或氯化金的浓度范围为0.01nM至1nM，优选0.05nM至0.8nM，更优选0.1nM至0.6nM，更优选0.2nM至0.4nM，最优选约0.3nM。

　　所述的石墨烯，其中至少一个的氧化物基电池可以通过连接几个单电化学电池来制造，是石墨烯氧化物基电化学电池彼此并联和/或串联。其中两串氧化石墨烯基电化学电池并联排列的电池的一个实施方案，其中每串包含串联布置的三个电池。