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美國倫斯勒理工學(xué)院的研究人員將世界上最薄的材料石墨烯制成一張紙，然后用激光或照相機(jī)閃光燈的閃光震擊，將其弄成千瘡百孔狀，致使該片材內(nèi)部結(jié)構(gòu)間隔擴(kuò)大，以允許更多的電解質(zhì)“潤(rùn)濕”及鋰離子電池中的鋰離子獲得高速率通道的性能。這種石墨烯陽極材料比如今鋰離子電池中慣用的石墨陽極充電或放電速度快10倍，未來可驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車。
可充電的鋰離子電池作為行業(yè)規(guī)格產(chǎn)品，用于手機(jī)、筆記本電腦和平板電腦、電動(dòng)車等一系列設(shè)備中。鋰離子電池具有高能量密度，可以存儲(chǔ)大量的能量，但遭遇低功率密度時(shí)則無法迅速接收或釋放能量。為了解決這個(gè)問題，該學(xué)院納米材料專家尼基帶領(lǐng)研究小組創(chuàng)建了一種新型電池，不僅可以容納大量能量，還能很快地接收和釋放能量。
研究人員說，鋰離子電池技術(shù)的主要障礙在于，有限的功率密度和無法快速接收或釋放大量的能量，而這種在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上有“缺陷”的石墨烯紙電池可以幫助克服這些障礙。該成果一旦商業(yè)化，將對(duì)電動(dòng)汽車和便攜式電子產(chǎn)品中新電池和電氣系統(tǒng)的發(fā)展帶來顯著影響。這種電池也可以大大縮短手機(jī)和筆記本電腦等便攜式電子設(shè)備和響應(yīng)器充電所需要的時(shí)間。
新型電池的解決方案是，先創(chuàng)建一大張石墨烯氧化物紙，其厚度與一張日常打印紙相當(dāng)，并可制作成任何尺寸或形狀，然后將石墨烯紙暴露在激光下和數(shù)碼相機(jī)閃光燈的閃光下。激光或閃光的熱量穿透紙面造成微小爆炸，石墨烯氧化物中的氧原子被驅(qū)逐出結(jié)構(gòu)，石墨烯紙變得滿目瘡痍：無數(shù)裂縫、孔隙、空洞等瑕疵，逸出的氧氣形成的壓力也促使石墨烯紙擴(kuò)大了5倍的厚度，由此，在單個(gè)石墨烯片中創(chuàng)建了很大的空隙。
研究人員發(fā)現(xiàn)，這種被損壞的單層石墨烯紙可成為鋰離子電池的陽極，鋰離子使用這些裂縫和孔隙作為捷徑，在石墨烯中快速移進(jìn)移出，極大提高了電池的整體功率密度。他們通過實(shí)驗(yàn)證明，該陽極材料比傳統(tǒng)鋰離子電池中的陽極充電或放電速度快10倍，而不會(huì)導(dǎo)致其能量密度的顯著損失，甚至在超過1000個(gè)充電/放電周期后仍能持續(xù)成功運(yùn)行。另外重要的是，石墨烯薄片的高導(dǎo)電性使得電子能夠在陽極進(jìn)行高效傳輸。
研究人員說，這些石墨烯紙陽極很容易調(diào)整，可以制作成任意的大小和形狀，而且將其暴露于激光或照相機(jī)閃光燈的閃光下是一種簡(jiǎn)單、廉價(jià)的復(fù)制過程。他們下一步將用高功率的陰極材料與石墨烯的陽極材料配對(duì)，以構(gòu)建一個(gè)完整的電池。
這項(xiàng)研究結(jié)果發(fā)表在近期美國化學(xué)學(xué)會(huì)《ACS納米》雜志上。
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