巴伊兰大学Doron Aurbach团队Battery Energy:锂/氧化石墨烯一次电池体系及机理

【研究背景】

一次电池在低功率要求的电子设备中广为人知，因为它们很容易用简单的组件建造。一般来说，理想的一次电池必须具有高的比能量和功率密度、良好的保质期、抗干扰性和低成本。原电池的质量和价格取决于组成材料：正极、负极和电解液。因此，需要低成本、高性能的新型替代材料来批量生产一次电池。碳基石墨烯材料因其优异的物理化学性质，近年来受到人们的高度重视，特别是在能源和环境领域的应用。这些特性包括高比表面积(单层石墨烯理论为2630 m2/g)、非凡的电子性能和电子传输能力、高机械强度11以及优异的导热性和导电性。根据国际标准化组织的ISO/TS80004-13标准，石墨烯材料是碳原子的单层，由一个原子厚的平面片组成，包含sp²键的碳结构。双层、三层和多层石墨烯分别是由两层、三层和三到十层碳原子组成的材料。

氧化石墨烯(GO)是一种石墨烯衍生物，具有丰富的氧官能团(羟基、环氧基和羧基)附着在石墨烯层的基面和片状边缘上。由于这些官能团在水中具有高度的胶体稳定性，因此有助于分散，同时赋予了一系列独特的机械、胶体和/或光学性质。氧化石墨烯可以以较低的成本大量生产。基于其对氧化石墨烯的电化学还原，在常温下将金属插入氧化石墨烯中，形成了锂、镁、锌、铁、铜等几种一次和二次电池体系。石墨烯材料可用作电池的电极材料和复合电极材料、集电体及其保护层、表面涂层和导电添加剂。在大多数研究中，石墨烯材料的使用在提高放电容量和循环稳定性方面显示了电极材料的电化学性能的显著改善。

氧化石墨烯单独作为锂电池正极材料的报道很少，因为含氧官能团为锂电池提供了储锂场所。尤其是其中锂储存的确切机制尚不清楚。机理研究表明，当金属被氧化时，还原的驱动力来自于将电子从金属释放到氧化层。关于氧化石墨烯的电化学还原机理，目前还存在争议。大多数研究人员认为C-O双键是锂的储存中心，而也有人认为环氧基是主要的储锂中心。无论如何，氧化石墨烯的含氧量是影响氧化石墨烯作为正极材料电化学性能的关键因素。

以色列巴伊兰大学化学系Doron Aurbach教授团队基于长期研究经验与最新发现，重点讨论了锂/氧化石墨烯一次电池体系及机理。该工作目前在BATTERY ENERGY第二期上以题“Li/graphene oxide primary battery system and mechanism”发表（DOI:10.1002/bte2.20210002）。

【工作介绍】

图文摘要：氧化石墨烯合成与锂/氧化锂电池生产

本文作者介绍了一种新型的锂/氧化石墨烯(Li/GO)电池，该电池基于锂金属与氧化石墨烯正极之间的自发氧化还原反应，作为一种可行的一次电池替代系统。在这里，我们提出了一种改进的Hummers法合成氧化石墨烯的方法，并对其还原机理进行了全面的研究。采用各种物理和电化学方法对锂/氧化石墨烯电池进行了深入的分析。富含含氧官能团的氧化石墨烯为石墨烯提供了储锂场所，在12 mA/g下放电容量约为720mAh/g。对还原过程中在表面形成的产物进行了分析，并提出了还原机理。结果揭示了金属离子电池石墨烯基复合电极材料电化学性能改善的原因以及还原氧化石墨烯的不可逆容量的贡献。锂/氧化石墨烯的概念有望为基于其他活性金属阳极(如M = Na、镁、铝、锌)的类似M/GO电池的设计提供指导。

在本文研究中，纳米结构氧化锌作为制备锂电池正极材料的组份之一。这种基于类石墨烯结构的材料由于存在各种含氧官能团，能够在电流形成过程(放电)过程中与阳极活性物质的离子形成不可逆键，从而显示出高的放电比容量。对氧化石墨烯在电化学还原过程中表面生成的产物进行了分析，并提出了可能的机理。除上述机理研究外，本文还为开发高比能量、高性价比、实用化的一次锂电池打开了大门。

最后，作者得出结论：基于一种新型的锂/氧化石墨烯(Li/GO)体系的自发氧化还原反应，建立了一次电池，并对氧化石墨烯正极的电化学还原进行了全面的研究。采用改进的Hummers法制备了氧化石墨烯正极材料，并用多种方法对其进行了表征。石墨烯层上的含氧官能团作为锂的储存点，在12 mA/g的电流密度下提供约720mAhg的高容量放电。

通过原位分析提出了电化学还原的机理，其中两个电子参与了环氧基的还原，环氧基是锂的主要储存位。研究结果揭示了锂/氧化石墨烯电池氧化石墨烯电极材料电化学性能改善的原因和氧化还原反应机理，有望为新型实用高能量密度一次锂/氧化石墨烯电池的开发提供有力的起点。

本文的通讯作者为巴伊兰大学化学系Doron Aurbach教授

通讯作者简介

Doron Aurbach教授是以色列巴伊兰大学(BIU)化学系的正教授、化学工程师，他领导着电化学小组(40人)，他领导着INREP：以色列国家电化学推进研究中心(自2012年以来，以色列7个机构的26个研究小组)，该中心研发电动汽车的电源。他的团队研究活性金属、非水电化学体系的电化学，为敏感的电化学体系开发光谱方法(原位和非原位)，研究电化学插层过程、电化学水淡化、导电聚合物，以及开发可充电的高能量密度电池和超级电容器。他是《电化学学会杂志》的高级编辑，ECS，ISE，MRS会员，获得奖项包括：国际电池协会Ernest B.Yeager长期杰出贡献奖获得者(2014)，电化学学会Allen J.Bard奖(ECS，2017)，国际电化学学会Alexander Frumkin Medal(ISE，2018)，Eric和Sheila Samson总理交通替代燃料创新奖(2018)，以及以色列化学学会金奖(2020)。

本文内容基于Wiley出版集团合作期刊BATTERY ENERGY第一卷第二期以Research Article发表的“Li/graphene oxide primary battery system and mechanism”

DOI: 10.1002/bte2.20210002

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/bte2.20210002