这篇石墨烯电池用户指南，是为科学家和非科学家创建的，解释了石墨烯电池的工作原理，其使用优点和详细的可立即采取行动的步骤，开始开发石墨烯电池。

不要错过下一阶段的纳米进化。本文涵盖了四个成熟的石墨烯电极设计的实验（DOE）从创新的学术研究，包括一个石墨烯锂硫电池，目前的前流道技术并列入参考。

石墨烯分子结构图

正在积极研究基于石墨烯的电池用于各种商业应用。当开发基于石墨烯的电池超过常规金属离子电池时，改善的性能和寿命周期益处是非常值得的资源投资。

Elon Musk的特斯拉汽车公司提供了一个知名的例子，积极参与石墨烯电池研究和商业化的创新公司。

真正的石墨烯电池突破是来自并入锂 - 硫电池阴极的石墨烯 - 锂离子杂化化学物质。这种技术需要许多年才能商业化，并且正在进行深入研究。更先进的石墨烯电池技术将需要相当多的研发支出，并且将需要许多年来商业化。

  • 传统电池技术

锂是可再充电和不可再充电电池中常用的材料。尽管碱性和锌基电池是可用的，但由于其高电荷密度，它们通常具有较短的使用寿命。与锂基电池不同，这些电池不能在更高的电压下操作。

初级（不可再充电）电池由两个电极组成，允许电流仅通过中间电解质在一个方向上流动。次级（可充电）电池仍然包含两个电极，但锂离子可以根据充电或放电在两个方向流动。

传统电池横截图

阳极通常是锂基（金属氧化物）化合物，阴极是多孔碳。阳极和阴极都具有限定孔的刚性结构，使得在施加电流时能够将锂离子吸收到空穴中。当没有施加电流时，离子解吸到电解质溶液中。

锂离子的吸收可以在阴极和阳极上发生。当使用电池时，离子移向阴极。在充电期间，电流反向，并且离子被吸收到阳极中。该过程允许产生许多循环，导致增强的寿命。阴极选择的材料传统上是石墨，但是对于阳极可以变化。最常见的类型包括Li 4的Ti 5 ? 12，LiNiCoAlO 2，的LiFePO 4，LiNiMnCoO 2（NMC），的LiCoO 2，和的LiMn 2 ? 4。

  • 石墨烯电池技术

石墨烯电池技术的结构类似于传统电池的结构，其中两个电极和电解质溶液用于促进离子转移。石墨烯基电池和固态电池之间的主要区别在于一个或两个电极的组成。

石墨烯电池可以减少电池使用对环境的影响

该变化主要在于阴极，但是也可以在阳极中使用碳同素异形体。在常规的电池中的阴极纯粹由固态材料，但含有的固态金属材料和复合的混合材料的石墨烯被用作石墨烯电池的阴极。

根据预期的应用，复合材料中的石墨烯的量可以不同。结合到电极中的石墨烯的量通常基于性能要求并且取决于固态前体材料的现有效率和/或弱点。

  • 石墨烯电池突破

真正的石墨烯电池突破是将石墨烯 - 锂离子杂化化学物质引入锂硫电池的阴极。纯石墨烯电极不用于石墨烯电池中，并且许多基于石墨烯的电极被制造并以与常规电池类似的方式操作。

通过将石墨烯添加到电极制剂来改善它们的性能。基于无机的电极通常在密度，导电性，表面积，容量，电容或循环时间方面具有局限性。

石墨烯是具有许多独特和期望的性质的通用分子，并且它可以以许多不同的方式被采用，因为没有使用石墨烯的“一刀切”的解决方案。石墨烯用于改善已经存在于常规材料中的许多益处，但是其还有助于克服以前的电池限制，导致增加的电池寿命或性能。

在电极中，石墨烯以两种一般方式工作，作为复合材料/混合物或作为支撑材料。作为支撑材料，石墨烯有助于以规则的顺序保持金属离子，这有助于电极效率。

作为电极中的复合材料，石墨烯通常参与电荷本身的促进，其中其高导电性和良好有序的结构是提供针对其非石墨烯前体的改进的重要属性。在以下部分中讨论石墨烯在实现某些电池应用中的作用。

1.锂离子电池

基于石墨烯的电池与其石墨前驱体相比正在迅速变得更加有利。它们是一种新兴技术，允许更快的循环时间和增加的电极密度。它们还具有保持电荷更长时间的能力，提高电池的寿命。

石墨电池是经过验证的技术，并且有多种形式。像石墨一样，各种类型的功能性石墨烯衍生物电极现在可用，研究人员发现了超过纯石墨电极的许多优点。

2.石墨烯-金属氧化物杂化物

历史上，石墨已经被用作主要阴极材料，其中锂离子移动到结构化孔中。然而，石墨烯缺乏这种能力，但是由于其大的表面积，其可以通过表面吸附和诱导结合存储锂离子。

诱导的结合通常发生在石墨烯衍生物的存在期间，并且锂离子附着到官能化表面。除了具有大的表面积之外，高导电性是石墨烯电极的另一个关键特征。传统上用于电池中的许多金属氧化物具有诸如低体积能量密度，低导电性和接触点损失的缺点。

将金属氧化物基质与石墨烯杂交可以消除大多数这些问题，并且由于间隙离子和混合基质之间的相互作用的巨大改进，电导率变得更大。为了生产石墨烯 - 金属氧化物纳米颗粒杂化物，石墨烯在该过程中用作模板，由于石墨烯的规则重复结构，产生均匀分布的基质。

该方法还限制纳米颗粒的聚集，在锂充电和放电循环期间促进大的纳米颗粒表面积。因此，与纯MO基电极相比，比容量和循环性能有所改善。

石墨烯-MO杂交电极能够显示多达1100毫安克-1的第10个周期。比能量密度维持在1000毫安克-1，即使经过130次循环。

3.石墨烯-碳纳米管/富勒烯混合物

虽然没有广泛报道，已经实施了包含石墨烯和碳纳米管和/或富勒烯的电极。由石墨烯的6-15单层，对彼此的顶部每一层的电极，显示出的540毫安g的比容量-1，相对于由于其较高的表面积的石墨同行这是相当高的。

与分散无论富勒烯或石墨烯片的碳纳米管增强的相互石墨烯间距。这种额外的间隔形成用于锂离子占据的额外的空穴，与堆叠的石墨烯电极相比增加高达40％的比容量。

4.石墨烯锂硫电池

一种石墨烯 - 锂 - 硫电池

锂硫电池在商业应用中代替锂离子电池，由于其低毒性，低成本公斤的潜力，为拥有的2567 W时的能量密度的潜力-1，它比现有的高五倍锂基电池。

因此，他们获得了很大的兴趣，但有几个显着的缺点，阻止他们到达商业市场。第一个是由于在电池中存在高度可溶的反应物而在阴极处的无机盐沉积。

盐沉积导致活性材料的损失，硫阴极的低利用率，低库伦效率和循环寿命的降低。第二个主要缺点是硫的固有的低导电性。

由于其独特的性质，例如大的表面积，高的化学/热稳定性，良好的机械强度和高导电性，使用石墨烯作为硫离子的载体材料消除了硫电池中的一些相关问题。

高表面积提供硫的良好分散，其控制硫离子的移动并消除硫离子在阴极上的积聚。一锅合成也可以用于生产石墨烯负载的硫颗粒。

锂 - 硫电池的性能主要依赖于电极中的硫浓度（和有效地石墨烯与硫的比率）。从迄今生产的电极，含有较高硫含量的电极提供最佳性能。由63％（重量）硫的电极具有容量的731毫安克-1，以获得高达1160毫安克电位-1。

容量保持在700毫安克-1即使经过50个循环，并且至少制造其它硫石墨烯电极容量的两倍。它们在高速率循环下也是稳定的。由于硫结合还没有实现100％的效率，因此发生了细胞的一些降解，但是与非石墨烯基硫电极相比，石墨烯负载的硫电极仍然显示出巨大的改进。

5.石墨烯超级电容器

石墨烯超级电容器设计

在电子领域中，超级电容器是能够存储比标准电容器多一百多倍的能量的有用装置。它们还可以在低温条件下工作，并且经常用作电化学电池的替代品。

产生双电层的能力是超级电容材料的关键性质之一，并且在双电层电容器（EDLC）超级电容器中是重要的。超级电容器通过极化在电极 - 电解质界面处建立电荷来存储能量。

活性炭传统上用作电极材料，但是不能在高电压下工作是其主要缺点。石墨烯及其衍生物由于其开孔结构，高导电性，高比表面积，生产潜力和低成本而是有用的; 所有这些都是超级电容器的期望属性。

6.石墨烯-金属氧化物复合电极

石墨烯氧化钼电极

石墨烯和金属氧化物复合电极提供了一个新的区域，其中电容高于标准电容器电极的电容。常见的金属氧化物是的MnO 2，钴3 ? 4，的SnO 2和ZnO 2。的MnO 2的石墨烯的复合材料是最有前途的，由于该锰离子可以采用可变氧化态。

的第三和第四状态之间的氧化还原反应包括金属离子的电解质溶液（例如锂插层+，钠+），这有利于能量存储。除了有效的离子插层之外，石墨烯片提供具有大表面积的导电网络，其进一步促进离子 - 电极相互作用。

石墨烯-MO的复合材料具有的310 F G高的比电容-1，它比制成或纯石墨或金属氧化物的电极的三倍。即使在2000次循环后，它们仍能保持其比电容的95.6％。

如前所述，超级电容器在某些应用中优于电化学电池。然而，较低的能量密度是使用超级电容器的问题。

将石墨烯结合到超级电容器的负极中增加了能量密度，同时保持高的功率密度。超级电容器已经使用纳米线 - 石墨烯复合物作为正电极和石墨烯作为负电极制成。

该电容非对称地构成，并且已显示，提供的30.4瓦公斤的高能量密度-1处的石墨烯超级电容器已在功率密度和能量方面优于其它电容器2伏的工作电压，这使得它们在有希望的领域的超级电容器。

7.石墨烯-聚合物复合电极

一种石墨烯 - 聚合物复合电极

石墨烯 - 聚合物复合材料与其它石墨烯基复合材料相比不具有高导电性，但它们具有高掺杂 - 去掺杂能力，高充电/放电速率和柔性。石墨烯 - 聚合物复合材料通过n和p掺杂氧化还原反应工作，其中电子损失或获得以转化和储存能量。

氧化石墨烯和含氮聚合物对于制造石墨烯 - 聚合物电极复合材料是理想的。官能团的聚合促进复合材料的两种组分之间的强的π-π相互作用，导致大的表面积和在循环充放电过程中可机械变形的半柔性结构。这些石墨-聚合物复合材料可表现出高达531 F G -1，甚至经过2000次循环保留最多它的电容的74％。

8.石墨烯-CNT电极

在石墨烯片之间的对准的碳纳米管的表示

与锂离子电池类似，碳纳米管用于增加不同单层之间的石墨烯间距。与单层石墨烯相比，堆叠的石墨烯电极可能遭受减小的表面积。将纳米管引入电极中增加了纳米孔以及电极的导电性。

纳米管可以用于到两个或三个维度石墨矩阵，其中的120°F g的平均比电容-1和386 F G -1分别。在三维石墨烯-CNT中，电容在2000次循环后甚至可以上升高达20％，证明这些电极具有优异的电化学稳定性。

9.石墨烯燃料电池

与电池和电容器不同，燃料电池产生电能而不是存储电能。许多燃料电池由铂基催化剂组成，其制备非常昂贵。使用碳同素异形体作为铂催化剂的载体，可以降低燃料电池的成本。一种这样的催化剂载体是石墨烯。

由于氧化石墨烯具有大的表面积，良好的分散性和高导电性（当被还原时），通过将石墨烯结合到用于装置中的复合材料中，改善了燃料电池的完整性和效率。

在一些燃料电池中使用石墨烯以促进甲醇的氧化，并且已经显示当与其它碳同素异形体例如炭黑和碳纳米管相比时更有效。二维石墨烯片具有用于电子/离子传输的更大的活性表面积，因为其两侧暴露于燃料电池内的溶液。

石墨烯表面的均匀性也消除聚集，促进铂颗粒在载体上的均匀分布。此外，石墨烯结构中的表面缺陷促进石墨烯载体和铂颗粒之间的相互作用。铂-石墨支承的燃料电池可以具有电流密度高达0.12毫安厘米-2，这比其他碳系载体更至少三次。

石墨烯在进行氮等离子体处理后可以用氮掺杂。掺杂石墨烯在其表面上具有基于氮的官能团，这使得通过铂纳米颗粒能够更好地分散和装饰。掺杂石墨烯具有比未掺杂石墨烯更大的导电性和电催化活性。掺杂石墨烯的氧化电流是未掺杂石墨烯的氧化电流的两倍。

10.实验设计-石墨烯电池电极的合成

有许多可用的方法将石墨烯和金属基无机化合物转化为可用于电极的石墨烯复合材料。由于这是一个新兴领域，新的方法经常被开发和随后出版。一些方法包括化学还原，异位杂交，无电沉积，原位结晶，水热法，溶胶 - 凝胶法，热蒸发，电化学沉积和原位自组装。

与任何方法一样，有多种方式来合成材料本身。覆盖每种方法将是不切实际的，因此在这里讨论了将石墨烯实现为复合材料以用作石墨烯电池研究和开发项目中的电极的一些具体方法。

所使用的值来自公开的实验，并且仅用于比率说明目的。可以改变规模和量以更好地适合具体实验。

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石墨烯 - 锂 - 硫电池的DOE，这是当前的领先技术。

“Synthesis of the Thermally Epfoliated Reduced Graphene。得到热剥离的还原石墨烯。
石墨烯-硫Hybrids-的G / S杂种的制备通过用硫溶解的CS的GO热液减少装配制备2和醇溶液。简言之，醇中的溶液在GO含水分散体的50毫升和15混合，然后加入3毫升的CS 2含有100，150，和200毫克溶解硫（调谐样品中的硫含量）加入到在GO分散。将混合物搅拌90分钟，然后密封在80mL特氟隆衬里的不锈钢高压釜中，在180℃下进行水热反应10小时。用乙醇和蒸馏水洗涤G / S水凝胶的黑色圆柱，然后将湿的水凝胶冷冻干燥，得到G / S杂化物。
石墨烯 - 硫杂交体（粉末）的制备 - 在与G / S杂化体相同的水热条件下，通过将90mg插层片状剥落石墨烯和热剥离的还原石墨烯与150mg硫混合来制备G / S杂交体（粉末）。
石墨烯-硫制备混合的G / S 混合物通过混合方法50毫升在GO含水分散体，15毫升乙醇的制备，并且在相同条件下，但没有CS 150毫克硫2。
电化学测量。将G / S杂化物切割，压缩并成形为直径为12mm的圆形丸粒，并直接用作阴极。一个G / S电极的质量负载量为约2mg厘米2。通过将90重量％的G S59或G S60杂化物（粉末）与溶解在作为粘合剂的N-甲基-2-吡咯烷酮中的10重量％的聚偏二氟乙烯混合以形成浆料来制备G S59或G S60混合（粉末）阴极，然后将其涂覆在铝箔上并在70℃下真空干燥12小时。将箔在双辊之间压制，成形为直径为12mm的圆形丸粒，并用作阴极。电解质是在1,3-二氧戊环和1,2-二甲氧基乙烷（1:1体积比）的1.0M锂双- trifluoromethanesulfonylimide用0.5％（重量）利诺3添加剂。使用2025型不锈钢纽扣电池来组装测试电池。使用锂金属箔作为阳极，使用G / S切片作为阴极。使用LAND恒流充电放电仪器进行测量。将硬币型电池组装在充满Ar的手套箱（MBraun Unilab）中。用于细胞试验设定电流密度称为阴极的硫和多样的质量为0.3?4.5的g- -1。充电放电电压范围为1.5±2.8V。使用VSP-300多通道恒电位/恒电流仪（Bio-Logic，France）工作站在电压范围为1.5±2.8V（相对于Li + / Li），扫描速率为0.1毫伏小号-1。对G S63中混合电极排出到第二平台的端部和拆卸，在手套箱干燥，并随后转移到XPS的真空室进行结构表征。“ 1
在以下部分中讨论三种类型的石墨烯电极DOE。
通过将氧化石墨烯粉末（100mg）分散在蒸馏水（30mL）中并超声处理30分钟来产生纯的基于石墨烯的电极。将所得悬浮液在热板上加热，直到其达到100℃，然后加入3mL水合肼。
将悬浮液在98℃下保持24小时以将氧化石墨烯还原成rGO。还原的氧化石墨烯可以通过过滤收集以留下黑色粉末。然后将过滤的粉末用蒸馏水洗涤几次，以减少过量的肼。
通过超声处理将石墨烯粉末再分散到水中，然后将所得溶液以4000rpm离心3分钟以除去较大的颗粒。通过真空过滤收集石墨烯并在真空中干燥。如果使用rGO，可以省略此步骤。
以在电极，石墨烯分散在乙醇直至0.2 mgmL的浓度-1得以实现。通过真空过滤过滤所得悬浮液，然后收集在微孔滤纸上。将过滤的石墨烯切割成1×2cm的2（1毫克重量）以供后续使用。为了检查石墨烯电极，使用电解质缓冲液将其附着到电池上。
第二种方法解释了用作锂离子电池中的电极的钴 - 石墨烯混合电极的制备。为了制备电极，将氧化石墨烯（0.1g）加入到乙酸钴（350mg）和去离子水（400mL）中。NH 4 OH（3800微升）和肼（250微升）加入到该溶液中并将该混合物搅拌，在100℃下4小时。
反应完成后，滤出所得溶液。然后通过在200℃下加热产物6小时使溶液重结晶。
这最后一种方法涉及创建用于锂离子电池的锡 - 石墨烯纳米带复合电极。以在电极，石墨烯纳米带（GNR）（75毫克），的SnCl 2 .H 2 O（1.33克，5.89毫摩尔），2-吡咯烷酮（65毫升）和磁力搅拌棒加入到干燥的圆底烧瓶中。
将溶液超声处理20分钟，然后回流1小时。将容器冷却至室温，并在露天环境中超声处理过夜。将混合物用丙酮和水淬灭三次，并在PTFE膜（0.45μm）上过滤。将所得产物在真空（60℃）中干燥24小时，并在石英炉（500℃，Ar气氛）中退火2小时。理论产量为380mg。

结论

在效率方面，基于石墨烯的电池正迅速成为媲美传统的固态电池。由于基于石墨烯的电池的不断进步，不久将来它们的性能超过他们的固态前身。

与存在于电极中的石墨烯相关的另外的优点可以是有用的，即使效率不高。石墨烯电池是具有类似效率的电池的理想选择，因为研究人员正在努力进一步推进这类电池。

引用最新预测“世界石墨烯电池市场，预计到2022年将达到$ 115亿在预测期内以38.4％的复合年增长率增长。在整个分析期间，汽车工业估计占据市场。在地理上，欧洲预计将是2016年的主要市场，收入贡献约38％。

随着世界各地不断增加的能源需求，开发改进的能源存储设备，减少与消费者电池使用相关的负面环境影响是一个崇高的目标。纽平科技应用平台希望通过这篇文章帮助您了解当前的石墨烯电池研究趋势，并提供优质的石墨烯原材料启发您启动石墨烯电池开发。

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