什么是石墨烯电池?

什么是石墨烯电池?

与体积和重量相比，锂离子电池具有良好的容量。不过也有一个缺点:充电时间长。另一个缺点是他们的最大输出功率。锂离子电池可能有很大的容量，但由于过热的风险，它们的最大输出功率是有限的。

石墨烯电池是通过改进现有的锂离子电池制成的。这是通过在电极中添加石墨烯来实现的，石墨烯可以改变电极的化学和物理性质。结果改善了充放电速率特性和容量。改进的放电速率意味着石墨烯电池具有更高的最大输出功率。

石墨烯电池是一项新技术，仍在研究中。最佳的制造工艺还有待发现。在这一领域缺乏知识，同行评议的科学材料仍然稀缺。我们将试着用一个可以在科学文献中找到的例子来解释这个工作原理。

石墨烯电池是如何制造的?

石墨烯氧化钒电池

莱斯大学的研究人员发现了一种新材料，它是氧化钒(VO2)和石墨烯的混合物。该混合电源可用于锂离子电池阴极。测量结果表明，这种混合阴极能在20秒内完全充放电，并能承受1000多次充电循环。1000次循环后，容量仍优于标称的90%。

钒氧化物在锂离子电池中具有高的能量容量。这是因为它们像海绵一样收集锂离子。使用氧化钒(VO2)或五氧化二钒(VO5)的缺点是，氧化物通常是不好的导电体。低电导率导致较慢的充放电速率。

科学家们找到了一种利用石墨烯作为氧化钒结构骨架的方法，石墨烯是一种优秀的导体。这种混合材料从氧化钒那里继承了良好的容量特性，从石墨烯那里继承了良好的导电性，从而可以快速充电。

该工艺由氧化石墨纳米片与VO5粉末混合而成。混合物悬浮在水中并加热到高温。在这些温度下，五氧化二钒还原为VO2，而氧化石墨则还原为石墨烯。当VO2结晶时，它会形成约10纳米厚、600纳米宽的纳米带，并带有单原子厚度的石墨烯涂层。这些带有几十微米长，它们有非常大的比表面积，由于VO2的离子浸泡特性和石墨烯的高导电性，使得电子和锂离子的扩散非常快。这两个特性的结合，使快速充放电率，以及高的最高功率输出这些电池。

制造石墨烯电池的真正技术难点在于vo2-石墨烯混合材料的实际制造。为了生产这种混合物，必须非常精确地控制温度、压力和混合物浓度等工艺条件。这些工艺参数现在相对比较有名，而且可以很容易地控制，从而实现大规模生产。

石墨烯磷酸铁锂电池

磷酸铁锂锂电池又称磷酸铁锂(LFP)，是一种以磷酸铁锂为阴极的可充电电池。LFP电池是一种可充电的锂离子电池。尽管它们的能量密度比其他一些消费级锂离子电池要低，但它们的功率密度却更高。功率密度是电池提供能量的速率指标。

由于其较高的功率密度，他们是特别有趣的使用在电动汽车。LiFePo4电池具有更好的热稳定性和化学稳定性，它比其他锂离子电池更安全。它们在充电过程中很难点燃，LFP电池比其他锂离子电池在充电失败前更容易被滥用。

石墨烯电池不仅充电速度比锂离子电池快很多倍，而且容量也更大，超过了传统LFP电池的理论最大容量。

将LiFePo4纳米颗粒与氧化石墨烯纳米薄片混合，并采用喷雾干燥和退火等工艺。结果是一种由LiFePo4初级纳米颗粒嵌入次级球形微粒组成的材料，这些微粒通过石墨烯片的三维网络松散地包裹在一起。

石墨烯是一种极好的导电材料，它的应用大大提高了电子的迁移率和迁移率。石墨烯片上的纳米孔可以增加整个三维石墨烯基体的Li+迁移率。他们创造的基本上是一个离子海绵，可以吸收锂离子，同时允许电子在矩阵中自由移动。

当应用于石墨烯电池时，这种新型的lifepo4-石墨烯复合材料产生了很好的效果，使电池具有一些很好的性能。首先，比容量是70毫安每克。这意味着你的手机电池重量可能低于20克。对于电动汽车来说，重量的减轻是一个受到热烈欢迎的进步，因为电动汽车可以使用数百公斤的电池来驱动。充放电率也有所提高。

这些改进的LFP石墨烯电池可以在10℃充电，在20℃放电1000次，容量衰减率仅低于15%。为了更好地理解这一点，如果一个电池的额定电流是1200毫安，这意味着，理论上，它可以提供1200毫安的电流，为一个小时。在这种情况下，1C代表额定电流，在我们的例子中是1200毫安。

普通锂离子电池的充电温度为0.5-0.8C，放电温度可达1℃。另一方面，这些改进的石墨烯电池能够以比传统锂离子电池高20倍的速度可靠地充放电。峰值放电率被安全地提高到70C，这是电池功率密度提高70倍。

石墨烯电池应用

快速充电石墨烯电池可能是电动汽车储能电池的下一步。传统的电动汽车电池需要很长时间才能充满电——在某些情况下可以达到5小时。即使充了电，有些汽车的续航里程也只有50英里左右。石墨烯电池可以提供相同的续航里程，但充电时间可以缩短到半个小时以下。