石墨烯电池是如何制造的？

石墨烯电池的框架与传统电池相似，由电解质溶液和两个电极组成，可实现离子和电荷传输。石墨烯电池和固态电池的主要区别在于任一电极的组成。虽然阴极经常被改变，但碳同素异形体也可以用于制造阳极。

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石墨烯是一种类似于石墨、金刚石和煤炭的碳同素异形物。由于其几何形状，它具有二维（2D）结构和六边形图案。这使其具有结构灵活性和其他几种理想的电气和机械性能。

石墨烯电池的制造

电池中的石墨烯主要用作柔性电极。目前生产石墨烯有四种关键生产方法：氧化石墨的剥离、改性Hummers方法、外延生长和化学气相沉积。

Hummers方法和剥离石墨氧化物

Hummers方法通常用于生产石墨烯。在这个过程中，KMnO₄和NaNO₃溶解在浓H₂SO₄中进行有效氧化，导致石墨烯层被剥离形成氧化石墨。根据应用要求，有很多方法可以修改Hummers方法。

首次发现时，石墨烯片是通过使用透明胶带进行机械剥离制备的。在这种方法的更经济的修改中，使用三辊磨系统连续剥离石墨。随后，在卷筒的中心和进料之间放置粘合剂，石墨分散在粘合剂上。剥离后，在500°C的马弗炉中燃烧树脂层，产生纯石墨烯。

化学气相沉积

化学气相沉积（CVD）构成将碳加热为蒸汽和/或降低大气压力以覆盖基质。金属被用作石墨烯生长的催化剂。该过程包括三个关键阶段：（i）金属薄膜中的碳扩散，（ii）由于溶解度降低而冷却薄金属薄膜以剥离碳，以及（iii）石墨烯层的表面生成。另一种称为等离子体增强化学气相沉积（PECVD）的方法与CVD相比具有优势，例如在纳米结构或塑料基板上的直接生长。

外延生长

可以使用外延生长作为微制造方法进行大规模生产石墨烯薄膜。由于其碳含量和柔韧性，Epitoxy使用SiC作为绝缘体衬底，因此在去除或熔化硅后可以保留碳（石墨烯）。然而，除了制造石墨烯层的电子特性受到衬底键合的影响外，在更大的面积上仍然很难获得均匀的厚度。通过使用不同的基板可以消除这些缺点。

石墨烯和商用电池之间的结构差异

传统电池通常使用锂和锌作为电极材料。然而，由于电荷密度更高，它们的寿命更短。阳极通常使用氧化锂钴（LiCoO2）或较新的电池中的磷酸铁锂（LiFePO4）制成。

另一方面，石墨烯是六边形结构的蜂窝晶格排列的二维碳原子片。这种结构是碳原子sp2杂交的结果，它产生了一个三角形的平面几何形状。在这里，单个碳原子与其他三个原子相连。这种二维结构，连同其六边形图案和几何形状，为石墨烯提供了结构灵活性。

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石墨烯电池的重量也比并发锂离子电池（LiBs）更轻，更薄。此外，使用石墨烯可以实现更高的充电容量。虽然锂离子可以储存高达180瓦时/千克的能量，但石墨烯可以储存高达1000瓦时/千克的能量。

与传统的锂离子电池不同，石墨烯电池耐用、轻便，适合存储高容量能量，同时缩短充电时间。激光-B（和其他可充电电池类型）也可以通过将石墨烯纳入电池阳极来改进，以获得更高的性能和形态优化。

石墨烯电池的未来范围

随着锂离子电池接近其最大理论效率，基于石墨烯的电池可能会成为未来便携式电子电池行业的趋势。随着石墨烯电池的实施，阻碍几个行业扩张的锂离子电池的缺点可能会被消除。此外，石墨烯电池最小的技术和环境限制也显示出工业可持续性的潜力。

由于充电容量的增加和温度稳定，石墨烯电池可以使电动汽车在商业上更加可行。此外，石墨烯电池将来也可能在生物医学植入物或植入式医疗设备（IMD）中应用。在最近的一项研究中，开发了一种全石墨电池，它表现出显著的高功率密度，因为阴极和阳极都表现出更快的表面反应，加上更高的导电性和多孔形态。

由于这一发现相对较新，研究正在寻找石墨烯商业生产的方法。三星开发了一种“石墨烯球”电池，相关的生产过程表明了这项技术的潜在商业应用。然而，石墨烯的性质尚未完全理解。目前，研究证明，使用石墨烯电池可以为当今的锂离子电池提供环保和经济上可持续的解决方案。

参考资料

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