新石墨烯空气电极可提升锂电池容量达15000毫安时/克

锂离子电池已被广泛应用于许多电子设备中，在我们的日常生活中非常重要。然而，在过去20年中稳定增长了10-15%之后，锂离子电池的能量密度现在已经接近其理论极限，而正是这些电池中使用的阴极和阳极材料限制了其能量。因此，近年来，全世界都在积极追求下一代储能系统。

一种这样的系统是金属/空气电池，其具有比大多数现有的原电池和可充电电池高得多的规格能量。

（a） 功能性石墨烯片结构示意图（上图），具有理想的双峰多孔结构（下图），这对锂氧电池的运行非常有利。（b） 在锂氧电池的放电曲线中，使用FGS（C/O＝14）作为空气电极（PO2＝2ATM）。

太平洋西北国家实验室过渡材料科学项目研究员张纪光博士说：“金属/空气电池是独一无二的，因为正极活性材料不储存在电池中。”。相反，环境中的氧被还原，并且在空气电极中的催化表面上形成氧物化或过氧化离子，其进一步与电解质中的阳离子组分反应。Li/O2对特别有吸引力，因为它可能具有最高的规范能量，这在所有已知的电化学对中都是如此。"

在迄今为止讨论的各种电化学储能系统中，锂空气电池是最有前途的技术，其理论能量密度是传统锂离子电池的近十倍。这是因为锂金属作为阳极的容量是传统石墨阳极的十倍，并且锂空气电池作为阳极的氧气可以从环境中自由吸收，这大大降低了电池的重量和成本。

为了用于电动汽车等实际设备，研究人员预计锂空气电池的能量密度将达到约800 WHr/kg，是最先进锂离子电池的三倍。因此，锂空气电池具有巨大的潜力，可以用于许多应用，这需要储能系统超越锂离子电池，例如每次充电可以行驶500公里以上的长途电动汽车。

2011年10月10日，《纳米快报》在线版报道了他们的成就，题为“分级多孔石墨烯作为锂空气电池电极”。西北太平洋国家实验室的张继光和他的团队证明，一种新的空气电极含有不同寻常的功能化石墨烯片层状排列（无催化剂），可以带来非常高的锂氧电池容量，即15000毫安时/克，这是该领域有史以来报道的最高值。

这种锂空气电池的性能受到许多因素的影响，如电解质成分、宏观结构的空气电极以及从微观结构到纳米结构的含碳材料。反应产物（如Li2O2）沉淀在含碳电极上，最终会堵塞氧气通道，限制锂空气电池的容量。

太平洋西北国家实验室团队最近的工作将空气电极堵塞问题降至最低，并显著提高了容量。

张继光说：“以前的工作使用了介孔碳或石墨烯片，或者铸造成堆叠的二维结构，这限制了其可用容量。”。我们的工作首次展示了一种自组装的双峰石墨烯结构，它既有微米大小的开孔来加速氧气的扩散，也有大量的纳米孔（2-50纳米）来催化Li-O2反应，防止过快的放电产物堵塞化学通道。"

此外，研究表明，石墨烯的缺陷和官能团有利于形成分离的纳米Li2O2颗粒，这有助于防止空气电极中的空气堵塞。石墨烯片的层状有序多孔结构可以在实践中应用，并促进大多数具有这种结构的石墨片的使用。

当用功能化石墨烯片制备空气电极时，应将功能化的石墨烯片分散在微乳液溶液中，微乳液溶液也含有电极粘合剂材料。经过铸造和干燥后，将形成一个非常不寻常的形状。

令人惊讶的是，功能化的石墨烯片聚集成一个松散的“鸡蛋”结构，留下一个巨大的互连隧道，一直延伸到电极的深处，”张继光说……

se隧道的作用就像许多动脉一样，不断地向电极供应氧气，放电过程就是这样。更重要的是，与已经测试过的其他多孔碳材料不同，这种复杂的孔结构在电解质渗透后仍然存在。"

他们使用扫描电子显微镜（SEM）观察了“碎鸡蛋”的“外壳”，研究人员发现这些“外壳”含有许多较小的连续纳米孔，这些纳米孔与大型隧道相连。张继光指出，这种独特的形状是一种理想的设计，可以用于空气电极。在放电过程中，一个强大的大型隧道可以用作向空气电极供应氧气的“高速公路”。同时，壁上的小孔都是出口，为氧气还原提供了三相（固液气）区域。"

在这种电池系统能够大规模应用之前，仍然需要克服一些障碍。主要障碍包括：排放速度低；锂空气电池的电解液稳定性和可逆性；需要氧气选择性膜来减少由水渗透引起的容量退化；

为了延长循环寿命，有必要防止锂枝晶的生长。

（编辑/李燕郊）锂离子电池已被广泛应用于许多电子设备中，在我们的日常生活中非常重要。然而，在过去20年中稳定增长了10-15%之后，锂离子电池的能量密度现在已经接近其理论极限，而正是这些电池中使用的阴极和阳极材料限制了其能量。因此，近年来，全世界都在积极追求下一代储能系统。

一种这样的系统是金属/空气电池，其具有比大多数现有的原电池和可充电电池高得多的规格能量。

（a） 功能性石墨烯片结构示意图（上图），具有理想的双峰多孔结构（下图），这对锂氧电池的运行非常有利。（b） 在锂氧电池的放电曲线中，使用FGS（C/O＝14）作为空气电极（PO2＝2ATM）。

太平洋西北国家实验室过渡材料科学项目研究员张纪光博士说：“金属/空气电池是独一无二的，因为正极活性材料不储存在电池中。”。相反，环境中的氧被还原，并且在空气电极中的催化表面上形成氧物化或过氧化离子，其进一步与电解质中的阳离子组分反应。Li/O2对特别有吸引力，因为它可能具有最高的规范能量，这在所有已知的电化学对中都是如此。"

在迄今为止讨论的各种电化学储能系统中，锂空气电池是最有前途的技术，其理论能量密度是传统锂离子电池的近十倍。这是因为锂金属作为阳极的容量是传统石墨阳极的十倍，并且锂空气电池作为阳极的氧气可以从环境中自由吸收，这大大降低了电池的重量和成本。

为了用于电动汽车等实际设备，研究人员预计锂空气电池的能量密度将达到约800 WHr/kg，是最先进锂离子电池的三倍。因此，锂空气电池具有巨大的潜力，可以用于许多应用，这需要储能系统超越锂离子电池，例如每次充电可以行驶500公里以上的长途电动汽车。

2011年10月10日，《纳米快报》在线版报道了他们的成就，题为“分级多孔石墨烯作为锂空气电池电极”。西北太平洋国家实验室的张继光和他的团队证明，一种新的空气电极含有不同寻常的功能化石墨烯片层状排列（无催化剂），可以带来非常高的锂氧电池容量，即15000毫安时/克，这是该领域有史以来报道的最高值。

这种锂空气电池的性能受到许多因素的影响，如电解质成分、宏观结构的空气电极以及从微观结构到纳米结构的含碳材料。反应产物（如Li2O2）沉淀在含碳电极上，最终会堵塞氧气通道，限制锂空气电池的容量。

太平洋西北国家实验室团队最近的工作将空气电极堵塞问题降至最低，并显著提高了容量。

张继光说：“以前的工作使用了介孔碳或石墨烯片，或者铸造成堆叠的二维结构，这限制了其可用容量。”。我们的工作首次展示了一种自组装的双峰石墨烯结构，它既有微米大小的开孔来加速氧气的扩散，也有大量的纳米孔（2-50纳米）来催化Li-O2反应，防止过快的放电产物堵塞化学通道。"

此外，研究表明，石墨烯的缺陷和官能团有利于形成分离的纳米Li2O2颗粒，这有助于防止空气电极中的空气堵塞。石墨烯片的层状有序多孔结构可以在实践中应用，并促进大多数具有这种结构的石墨片的使用。

当用功能化石墨烯片制备空气电极时，应将功能化的石墨烯片分散在微乳液溶液中，微乳液溶液也含有电极粘合剂材料。经过铸造和干燥后，将形成一个非常不寻常的形状。

令人惊讶的是，功能化的石墨烯片聚集成松散堆积的“鸡蛋碎”结构，留下……

张继光说：“这些隧道就像许多动脉一样，不断向电极供应氧气，放电过程就是这样。”。更重要的是，与已经测试过的其他多孔碳材料不同，这种复杂的孔结构在电解质渗透后仍然存在。"

他们使用扫描电子显微镜（SEM）观察了“碎鸡蛋”的“外壳”，研究人员发现这些“外壳”含有许多较小的连续纳米孔，这些纳米孔与大型隧道相连。张继光指出，这种独特的形状是一种理想的设计，可以用于空气电极。在放电过程中，一个强大的大型隧道可以用作向空气电极供应氧气的“高速公路”。同时，壁上的小孔都是出口，为氧气还原提供了三相（固液气）区域。"

在这种电池系统能够大规模应用之前，仍然需要克服一些障碍。主要障碍包括：排放速度低；锂空气电池的电解液稳定性和可逆性；需要氧气选择性膜来减少由水渗透引起的容量退化；为了延长循环寿命，有必要防止锂枝晶的生长。

（编辑/李燕郊）

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