废石墨的低成本电池——纳米科学

锂离子电池易燃，原料价格不断上涨。还有替代品吗？是的：Empa和ETH苏黎世的研究人员已经发现了一些有前途的方法，可以用废石墨和废金属制造电池。

KostiantynKravchyk在MaksymKovalenko工作。该研究小组位于苏黎世联邦理工学院和Empa薄膜和光伏实验室。这两位研究人员在Empa分公司雄心勃勃的目标是用地壳中最常见的元素制造电池-例如镁或铝。即使阳极由纯金属制成，这些金属也具有高度的安全性。这也提供了以非常简单和廉价的方式组装电池并快速升级生产的机会。

为了使这种电池运转，液体电解质需要由在室温下不结晶的特殊离子组成-即形成一种熔体。在这种“冷熔”中，金属离子在阴极和阳极之间来回移动，包裹在厚厚的氯离子中。或者，可以使用不含金属的大而轻的有机阴离子。但这确实存在一个问题：当电池充电时，这些“厚”离子应该去哪里？什么是适合的阴极材料？作为比较：在锂离子电池中，阴极由金属氧化物制成，其在充电期间可以容易地吸收小的锂阳离子。然而，这对于如此大的离子不起作用。此外，这些大阴离子具有与锂阳离子相反的电荷。

为了解决这个问题，Kovalenko的团队有一个伎俩：研究人员将锂离子电池的原理颠倒过来。在传统的锂离子电池中，阳极（负极）由石墨制成，其层（在充电状态下）含有锂离子。相反，在Kovalenko的电池中，石墨被用作阴极（正极）。厚阴离子沉积在石墨烯层之间。在Kovalenko的电池中，阳极由金属制成。

Kravchyk在寻找“正确”的石墨时取得了令人瞩目的发现：他发现钢铁生产中产生的废石墨，被称为“kishgraphite”，是一种很好的阴极材料。天然石墨也同样有效-如果它是以粗糙的薄片供应而不是磨得太细或者是折叠的非薄片形状。原因是：石墨层在薄片边缘处是开放的，因此厚阴离子能够更容易地滑入结构中。然而，通常用于锂离子电池的细磨石墨不适合Kovalenko的电池。通过研磨石墨颗粒，这些层像皱折的纸一样变皱。只有很小的锂离子才能穿透这种皱巴巴的石墨，而不是新电池'

由钢生产“kishgraphite”或原始天然石墨片构成的石墨阴极电池具有成本效益高的潜力。如果第一次实验是可行的，那么它也是持久的。几个月来，实验室系统经历了数千次充电和放电循环。“氯化铝-石墨阴极电池可以在日常家庭使用中持续数十年，”Kravchyk解释说并增加了“类似的示范，但进一步提高电池电压，不影响容量，甚至更轻的元件正在推进中，并将进一步提高能量密度从目前的60Whkg-1到150Wh以上kg-1“