为什么要研究石墨烯电池？

什么是电池

电池是一种移动电源，可以让电动装置在不直接插入电源插座的情况下工作。虽然许多类型的电池存在，但它们的基本功能仍然相似:一个或多个电化学细胞将储存的化学能转化为电能。电池通常由金属或塑料外壳制成，包括正极(阳极)、负极(阴极)和允许离子在它们之间移动的电解质。隔膜(一种可渗透的聚合物膜)在阳极和阴极之间制造一道屏障，以防止电路短路，同时允许离子电荷载体在电流通过时关闭电路。最后，一个收集器通过连接的设备用于在电池外面进行充电。

当两个端子之间的电路完成时，电池通过一系列的反应产生电流。阳极发生氧化反应，电解液中的两个或两个以上的离子与阳极结合产生一个化合物，释放电子。与此同时，阴极通过还原反应，阴极物质，离子和自由电子结合成化合物。简而言之，阳极反应产生电子，而阴极的反应吸收它们，并产生电。电池将继续产生电，直到电极耗尽产生反应的必要物质。

电池主要分为两种:第一种和第二种。一次电池(一次性)，在充电过程中，由于电极材料的不可逆转的变化，一次性使用和报废。常见的例子是锌碳电池以及用于玩具、手电筒和大量便携设备的碱性电池。二次电池(可充电)，可以多次放电和充电，因为电极的原始成分能够重新获得功能。例子包括汽车用的铅酸电池和用于便携式电子设备的锂离子电池。

电池有各种各样的形状和大小，有无数不同的用途。不同种类的电池有不同的优点和缺点。镍镉电池的能量密度相对较低，使用寿命长、放电率高、价格便宜是关键。它们可以在摄像机和电动工具中找到，还有其他用途。镍镉电池含有有毒金属，对环境有害。镍金属氢化物电池的能量密度比镍电池高，但它的周期寿命也较短。应用程序包括手机和笔记本电脑。铅酸电池重，在大型电力应用中起着重要的作用，重量不是本质，而是经济价格。它们在医院设备和应急照明等方面很普遍。用于便携式电子设备的电池。

锂离子电池是在高能和最小重量的情况下使用的，但技术是脆弱的，需要保护电路来保证安全。应用程序包括手机和各种各样的计算机。锂离子聚合物(Li-ion聚合物)电池主要存在于手机中。它们重量轻，而且比锂离子电池更苗条。他们通常更安全，寿命也更长。然而，由于锂离子电池制造成本更低，而且能量密度更高，它们似乎不那么普遍。

虽然有某些类型的电池能够储存大量的能量，但是它们体积很大，重量很重，释放的能量也很慢。另一方面，电容器能够快速充电和放电，但其能量比电池要少得多。然而，石墨烯在这一领域的使用，为能源储存提供了令人兴奋的新可能性，高电荷和放电率，甚至经济的可承受性。石墨烯改进的性能因此模糊了超级电容器和电池之间的传统界限。

石墨烯电池

石墨烯是一种由碳原子结合形成的蜂窝状晶格结构，由于它所拥有的无数惊人的属性，它被公认为是一种“神奇的材料”。它是电和热能的有效导体，极轻的化学惰性，并且具有较大的表面积。它也被认为是环保和可持续的，有无限的可能性，无数的应用。

在电池领域，随着石墨烯的增强，传统的电池电极材料(以及预期电极材料)有了显著的提高。石墨烯可制造轻便、耐用、适用于高容量储能的电池，并缩短充电时间。它将延长电池的寿命，这与涂在材料上或添加到电极上以达到导电性的碳量负相关，而石墨烯在不需要常规电池使用的碳量的情况下增加电导率。

石墨烯可以通过多种方式提高电池的能量密度和形状。锂离子电池可以通过将石墨烯引入电池的阳极，利用材料的电导率和大表面积特性来实现形态优化和性能。

人们发现，制造混合材料也有助于电池的增强。以钒氧化物(VO2)和石墨烯为例，可以在锂离子阴极上使用，并可快速充电和放电，同时也可实现大电荷循环的耐久性。在这种情况下，VO2提供了高的能量容量，但是电导率很低，可以用石墨烯作为一种结构的“主干”来解决这一问题，从而使VO2产生一种既能提高容量又具有良好导电性的混合材料。

此外，还发现，制造混合材料也可以用于实现电池的另一个例子是LFP(磷酸铁锂)电池，这是一种可充电的锂离子电池。它的能量密度比其他锂离子电池要低，但功率密度更高(这是电池提供能量的一个指标)。用石墨烯来增强LFP阴极，使电池重量轻，比锂离子电池快得多，并且比传统的LFP电池有更大的容量。

除了革新电池市场，石墨烯电池和超级电容器的联合使用也能产生惊人的效果，比如改进电动汽车行驶里程和效率的著名概念。

韩国高级科学技术研究所(KAIST)的研究人员开发了一种石墨烯基水混合电容器，这种电容器既稳定、安全，又具有高能量和功率密度，而且在30秒内充电。这种新型电容器是用一种介于特殊设计的阳极和阴极之间的液体电解质制成的。阳极是由基于石墨烯的聚合物链材料制成的，这使其具有很高的表面积，从而使其储存更多的能量。阴极材料是由嵌入石墨烯的氧化镍纳米粒子组成。

石墨烯增强的钠离子电池有望成为廉价、有效的锂替代物。华盛顿州立大学的研究人员正在研究以石墨烯为基础的钠离子电池，这种电池可以为锂离子电池提供一种更便宜、更可行的替代品。研究人员使用了在石墨烯结构上支持的氧化锡纳米晶体，以极大地改善电池的性能。