利用石墨烯可以制造更高容量的锂电池

美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(LawrenceBerkeleyNationalLaboratory)的研究人员已经创造了一种石墨烯和锡的纳米复合材料，使可再生锂离子电池可高容量储能。把锡夹在石墨烯薄片之间，研究人员就制成了一种新的轻型“三明治”结构，可以提高电池的性能。

“对于电动汽车而言，您需要一种轻巧的电池，可以迅速充电，而且经反复使用后，仍可保持充电容量，”张粤港(YuegangZhang)说，他是伯克利实验室分子铸造部(MolecularFoundry)研究员，在无机纳米结构所(InorganicNanostructuresFacility)，领导这项研究。“这里，我们已经展示的，是合理设计的纳米级结构，不需要添加剂或粘结剂就可以运行，可提高电池性能。”

石墨烯是一种单原子厚的“鸡线”晶格状碳原子，具有非凡的电子和机械性能，远远超过硅和其它传统半导体材料。以前的石墨烯研究中，张粤港和他的同事强调了电子设备的应用。

在这项研究中，这个小组组装分层交替的石墨烯和锡，创造了一种纳米复合材料。要创造这种复合材料，一层锡薄膜就要被沉积到石墨烯上。接下来，另一层石墨烯片被转移锡薄膜上。重复此过程，就可制成一种复合材料，然后，在氢气和氩气环境中，把它加热到300摄氏度(572华氏度)。在这一热处理期间，锡薄膜会转化成一系列柱子，增加了锡层的高度。

“从锡薄膜形成这些纳米柱，对于这一系统而言是非常特别的，我们发现，上下层石墨烯之间的距离也随之改变，以适应锡层的高度变化，”纪李文(LiwenJi)说，他是铸造部的博士后研究员。纪李文为主要作者，张粤港为通信作者的一篇论文，报道了这一研究，发布在杂志《能源和环境科学》(EnergyandEnvironmentalScience)上。

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充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%

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在这些新的纳米复合材料中，石墨烯层间高度的变化，有助于电池的电化学循环过程，因为锡的体积变化提高了电极的性能。此外，这个可调节的行为，意味着电池可迅速反复充电，不会退化，这对于电动汽车充电电池而言是关键的。

“我们在伯克利实验室有一个很大的电池计划，我们能够制造高度可循环的电池单元.。通过我们与碳循环2.0(CarbonCycle2.0)计划的互动，材料科学部的研究人员得益于优质电池设施和人员，加之，我们了解到了用什么制备更好的电极，”联合作者巴塔利亚(Battaglia)说，他是伯克利实验室环境与能源技术部高级能源技术部门的项目经理。“作为回报，我们有一个窗口，可以让开发下一代材料的科学家们谈谈这些要求。”