石墨烯助力会呼吸的超级电池

充一次电行驶650公里，能量密度接近传统汽油。这样的超级电池再也不仅仅是梦想。英国剑桥大学的一纸论文让它变得离我们如此之近。而其中石墨烯这种世界上最薄最坚硬的材料神奇地让这种超级电池学会了呼吸。

书接上一回中英在石墨烯材料正式展开强强合作，今天我们就来讲一讲石墨烯如何解决锂空气电池所面临的技术难题，让这种梦幻的超级电池一步步走向现实的。

如之前介绍石墨烯材料提到的，石墨烯在锂电池应用中充满了机遇，同时也面临巨大挑战。原因就是石墨烯本身并不能独立成为电极，需要与其他材料组成复合材料。最终的特性取决于复合材料的特性。而当石墨烯遇到了锂空气电池，那可谓英雄终于找到了施展才华的主战场。如上图所示，传统的锂电池正负极都是固体材料封闭在电池包中进行化学反应，通过锂离子的迁移放电。对应的锂空气电池却是靠锂离子在正极中与空气中的氧气进行氧化反应进行发电的。因此电池的结构更简单重量更轻，但是同时需要保证在正极中锂离子可以和氧气有充分稳定的接触。

英国剑桥大学化学教授克莱尔格雷和她的团队使用石墨烯及相应的技术攻克了锂空气电池技术的多项难题。下图即为剑桥大学2015年10月发表于核心期刊《科学》中的论文《锂空气电池，更好的高能量密度电源》（Lithium-air batteries, a better recipe of energy-dense power）封面。

克莱尔格雷教授和她的团队创新地将化学反应产物从氧化锂变成了更易处理的氢氧化锂。并且使用了DME电解液和碘化锂添加剂。其中另一项关键调整就是使用了还原态氧化石墨烯rGO（reduced Graghene Oxide的简称）作为渗透性极好的多孔蓬松电极。这样的电极保证了前文提到的正极中锂离子和氧气的充分稳定接触。下图一中剑桥大学的锂空气电池石墨烯电极电子显微镜放大照片。左半部为充满电状态，石墨烯电极成多孔蓬松状态，提供了充足的氧气O2，水H2O和锂离子Li+接触和反应的空间。右半部分为放电后的状态，反产物为氢氧化锂LiOH，其颗粒填补了石墨烯电极中多孔蓬松的空间。下图二为锂空气电池内部结构和人体肺部的比较图。图中可以看到左侧锂空气电池的内部结构为了提高空气的接触面积而设计的和右侧人体肺部结构非常类似。

那么还原态氧化石墨烯rGO又是哪种石墨烯呢？其实它是石墨烯的一种化学制备方法。下图为还原态氧化石墨烯rGO的制备过程说明图。上部所示首先通过石墨的氧化反应得到氧化石墨，然后右侧所示进行剥离后得到单层氧化石墨烯，最后下部所示还原反应得到单层石墨烯。这种化学制备方法得到的石墨烯特点就是结构蓬松且多孔。在某些应用场合并不是理想的单层石墨烯薄膜，但是应用在前文提到的锂空气电池石墨烯电极却恰恰十分契合。

剑桥大学的锂空气电池具有如下显著优势

1. 高效率，充放电电压差仅为0.2V, 能量效率超过93%

2. 长寿命，充放电循环2000次后无明显衰退（克服了锂空气电池反复充放电稳定性问题）

3. 大容量，相当于当前锂离子电池的近5倍。

4. 减少了锂空气电池对潮湿空气及二氧化碳CO2的敏感程度（放电反应更稳定）

综上所述，锂空气电池具有接近传统汽油的超高能量密度。是一种梦幻般的超级电池。而根据剑桥大学的研究，由于石墨烯材料和相应技术的加入，这种超级电池拥有优异的性能并且正在一步步地走向现实。但是同时剑桥实验室的团队表示可能至少还要10年才能将这一技术在电动车等其他行业中量产。因此可见，石墨烯材料让锂空气电池技术充满了希望，也需要更多的耐心去等待它的进一步完善。其中相信中国的企业也会在其中扮演非常重要的角色，让我们拭目以待吧。

参考文章和扩展阅读：

石墨烯-开启未来的黑金钥匙

锂空气电池也许真有戏，因为“足够好”

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