超級鋰電池——石墨烯

石墨烯電池正在積極研究各種商業應用。在傳統的金屬離子電池上開發石墨烯電池時，效能和生命週期的改善是非常值得的。真正的石墨烯電池的突破來自於鋰-硫電池陰極的石墨烯-鋰-鋰混合化學反應。這種技術將需要多年的商業化和深入研究。更先進的石墨烯電池技術將需要大量的研發支出，並需要很多年才能商業化。

傳統的電池技術

鋰是可充電和不可充電電池中常用的材料。雖然鹼性和鋅基電池是可用的，但由於它們的高電荷密度，它們的使用壽命通常較短。與鋰電池不同，這些電池不能在更高的電壓下執行。

一個主要的（不可充電的）電池由兩個電極組成，只允許電流透過中間電解液流向一個方向。次級（可充電）電池仍然包含兩個電極，但是鋰離子可以在兩個方向上流動，這取決於充電或放電。

陽極是典型的鋰基（金屬氧化物）化合物，而陰極是一種多孔碳。陽極和陰極都具有固定的孔結構，使鋰離子在電流的作用下進入孔內。當沒有電流被應用時，離子會吸附到電解質溶液中。

鋰離子的吸收可以在陰極和陽極上進行。當電池被使用時，離子向陰極移動。在充電過程中，電流被反轉，離子被吸收進陽極。這個過程允許產生許多週期，從而延長壽命。陰極的選擇材料是傳統的石墨，但它可以因陽極而異。最常見的型別包括Li4Ti5O12、LiNiCoAlO2、LiFePO4、LiNiMnCoO2 （NMC）、LiCoO2和LiMn2O4。

石墨烯電池技術

石墨烯電池技術的結構與傳統電池技術相似，兩個電極和一個電解質溶液用於促進離子轉移。石墨烯電池和固態電池的主要區別在於一個或兩個電極的組成。

這種變化主要存在於陰極，但也有可能在陽極中利用碳源。傳統電池的陰極完全由固態材料組成，而合成材料則是一種含有固態金屬材料和石墨烯的混合材料，作為石墨烯電池的陰極。

根據預期的應用程式，複合材料中的石墨烯的數量可能有所不同。在電極中加入的石墨烯通常是基於效能要求，取決於固態前體材料的現有效率和/或缺點。

石墨烯電池突破

真正的石墨烯電池的突破是將石墨烯-鋰離子混合化學物質加入到鋰硫電池的陰極中。石墨烯電池沒有使用純石墨烯電極，許多石墨烯電極都是用類似傳統電池的方式製造和操作的。

透過將石墨烯新增到電極配方中，改善了其效能。基於無機的電極在密度、電導率、表面積、容量、電容或週期等方面都有侷限性。

石墨烯是一種多才多藝的分子，擁有許多獨特的、令人滿意的特性，而且它可以以多種方式被採用，因為沒有一種適合所有使用石墨烯的解決方案。石墨烯用於改進現有的許多傳統材料的優點，但它也有助於克服先前的電池限制，從而提高電池壽命或效能。

在電極中，石墨烯以兩種一般的方式工作，既可以作為複合材料，也可以作為一種輔助材料。作為一種輔助材料，石墨烯有助於保持金屬離子的正常有序，這有助於提高電極的效率。石墨烯作為一種電極的複合材料，通常參與到電荷本身的簡化過程中，它的高電導率和有序結構是對其非石墨烯先導物進行改進的重要屬性。

石墨烯電池技術

電池的壽命與每個充電/放電週期電極表面發生的副反應的程度有關。這些寄生過程的速率與塗在材料上或在電極上新增的碳量直接相關，以達到必要的電導率。石墨烯基電極是用傳統電極中所使用的碳的一小部分來製備的，從而使壽命延長。基於石墨烯的超級電容薄膜將能夠在幾分鐘內完全充電，而不是傳統電池所需要的幾個小時。但是，儘管它可能比標準電池更快地充電和釋放能量，但它們目前的能量卻不那麼大。科學家們希望透過進一步研究改變的一個方面。