石墨烯片可以用于储能吗？

作者：Akanksha Urade（博士IIT Roorkee的学者和石墨烯和2D材料科学作家）

想象一下，拥有一部智能手机，只需十分钟即可充电，并且使用一周以上。不幸的是，使用现有的锂离子电池（LIB）技术似乎是不可能的，但石墨烯电池的突破正在将这些可能性带入生活。石墨烯电池最近取得了重大进展，但在实际应用中应用之前仍有障碍需要克服。本文将探索无缺陷石墨烯（大（>50微米横片尺寸）、薄且几乎无缺陷（LTDF）石墨烯片）如何帮助实现下一代电池的全部潜力。

石墨烯如何改善电池？

LIB是现代移动的首选电源。然而，LIB性能在两个方面受到限制：首先，电池的容量受到可以装入阳极或阴极的锂离子数量的限制。其次，电池的充电速率受锂离子从电解质移动到阳极的速度的限制。为了推动未来电池容量的进步，我们需要新的先进材料，这些材料不仅可以显著提高性能质量，还可以过渡到新的电池类型。

在今天的LIB中，石墨被用作阳极材料，然而，它有局限性。由于其10 m²/g的表面积小，石墨每六个碳原子只能存储一个Li原子。与石墨不同，石墨烯（<10个原子碳层）的表面积为2630 m ² /g，这使得它能够在板材的两面（包括其边缘）上固定锂离子，从而大大提高了电池存储能量的能力。石墨烯具有巨大的潜力，通过长期循环稳定性以较低的降解来保持电荷。由于其高表面积和优异的电子传递能力，使用石墨烯作为导电添加剂、支撑衬底或复合成分（例如含硅）可以显著改善阴极中离子和电子的扩散和传输。

此外，石墨烯可以作为有效的电子传输途径，降低LIB的内部电阻并增加其功率输出。石墨烯卓越的机械性能提高了电极材料的耐用性，从而提高了速率能力和循环稳定性。在锂离子电池中添加石墨烯可以解决导电性低和离子扩散不良的问题，这些导电性差会导致持续放电导致容量衰落。似乎数十家公司正处于将石墨烯用于不同类型电池的某个阶段，包括锂硫、石墨烯-铝混合电池、聚合物电池和不易燃石墨烯电池。

哪种石墨烯材料最适合储能？

还原石墨烯氧化物（rGO）是电化学储能应用中电极最常见的石墨烯形式。这很可能是因为rGO广泛可用，并且电导率高于石墨烯氧化物（GO）和活性炭。虽然rGO经常在实验室规模上使用，但当大量生产rGO时，会出现几个问题。主要挑战是存在问题的化学异质性导致的质量和价格、批次对批次可重现的一致性以及碳-氧键对sp2结构的不可避免的损害。这种损坏无法通过还原过程完全修复，这进一步降低了rGO的导电性。还有氧化过程中酸性废物造成的环境损害问题。

一个有前途的解决方案是用非氧化方法制造的LTDF石墨烯。与rGO相比，LTDF具有高导电性、纯度和结构完整性。这对电池尤为重要，因为与氧气相关的杂质会损害导电性和电池性能。此外，与Li、GO和rGO相比，LTDF的表面积要高得多，这使得LTDF石墨烯片比目前使用的材料更适合用于电化学储能几个数量级。

现实世界李金属电池应用最具挑战性的方面之一是固体电解质间相（SEI）的形成，这有利于电荷放电周期中的树突生长，导致内部短路（即火灾和爆炸等物理风险危险）。然而，电池界尚未解决的关键问题一直是石墨烯化学和结构缺陷是有利还是有害于锂金属电池的应用。然而，最近发表在《先进能源材料》上的一项研究表明，高缺陷的石墨烯会促进不稳定的SEI和有害的树突生长。这项研究揭示了研究人员一段时间以来的猜测——LTDF石墨烯可以抑制锂树突的形成，这是对李电池的长期挑战。更准确地说，由于片状尺寸与电子路径完整性之间的因果关系，横向片尺寸会影响石墨烯的电化学性质。根据研究，片状尺寸越大，锂离子扩散途径就越好。片状尺寸越小，离子导电性降低越大，产生“屏障效应”，导致特定容量损失和速率性能下降。应该指出的是，这是一个活跃的学术研究领域。

使用低缺陷石墨烯储存能源的商业实例

据报道，当用作超级电容器的电极材料时，Avadain的LTDF游离石墨烯片中有0.05%提供100%稳定的比电容，即使在10A/g的更高电流密度下，而活性炭和rGO的比电容下降了30%。与rGO和活性炭相比，Avadain的薄片还能够更快地充电/放电，100%的放电深度和更高的功率密度。

在另一份报告中，总部位于英国的Levidian的科学家报告说，当用作锂离子电池电极的添加剂时，他们由甲烷使用等离子体化学制造的亚微米大小的石墨烯粉末与活性炭或石墨烯纳米板（GNP-90S/cm）相比，电荷放电率显著提高（550 S/cm）。Levidian声称，对于硬质电池原型来说，增幅高达20%，容量（138毫安时/克）略高于活性炭（116毫安时/克）。

Lyten是一家总部位于加利福尼亚州的公司，吸引了许多备受瞩目的投资者，声称具有理论能力，通过将石墨烯堆栈（称为3D石墨烯）纳入其可充电锂硫电池中的阴极，实现900 Wh/千克的能量密度，是典型的锂离子电池的三倍，并具有高达1400个循环的连续电荷放电循环。Lyten的一项专利指出，它具有“由几层石墨烯（FLG）片组成的阴极，定义了三维（3D）碳基多模态结构”。对Lyten的3D石墨烯知之甚少，但它似乎是由甲烷裂解产生的皱/折叠的石墨烯片或堆叠，导致亚微米的横片状尺寸。

在每种情况下，低缺陷石墨烯结构都导致不同水平的电化学性能。

为什么石墨烯没有对锂离子电池产生重大影响？

尽管研究人员已经证明石墨烯电池的性能优于商用LIB，但由于缺乏批量生产LTDF石墨烯片的有效方法，其实际适用性受到限制。另一个因素是，大多数电池公司不想通过将石墨烯引入制造过程或改变其现有的电池化学成分来承担成为先行者的风险。但是，如果Lyten或其他公司将LTDF与先进的电池相结合，从而提供更高的电极密度、更快的循环时间，以及能够更长时间地保持电荷并延长电池寿命，这种不情愿可能会改变。

石墨烯在电池中有几种用途。

参考文献

Liu, Wei, et al. (2019) “Pristine or highly defective? Understanding the role of graphene structure for stable lithium metal plating.” Advanced Energy Materials.

Liu, Fei, et al. (2015) “Electrochemical energy storage applications of “pristine” graphene produced by non-oxidative routes.” Science China Technological Sciences.

Du, Wencheng, et al. (2019) “Pristine graphene for advanced electrochemical energy applications.” Journal of Power Sources.

Lyten (2022). Lithium-Sulfur Battery. [online] www.lyten.com Available at: https://lyten.com/products/batteries/

Levidian (2022) LOOP Reactor. [online] levidian.com Available at https://www.levidian.com/levidian-graphene