通过关注氧化石墨烯纸改善可充电电池

堪萨斯州立大学的工程团队发现了一些氧化石墨烯的重要特性，可以改善钠离子和锂离子柔性电池。

机械和核工程助理教授Gurpreet Singh和机械工程博士生Lamuel David在“物理化学杂志”上发表了一篇文章“还原氧化石墨烯纸电极：热退火对Li和O的影响” Na循环能力。“

氧化石墨烯是石墨烯的绝缘和缺陷形式，其在加热时可以转化为导体或半导体。Singh和他的团队研究氧化石墨烯片作为钠离子和锂离子电池的柔性纸电极。

研究人员发现，纸电极的钠储存能力取决于各层之间的距离，可以通过在氩气或氨气中加热来调节。例如，在高温下产生的还原氧化石墨烯片或rGO具有接近零钠容量，而在500℃下产生的还原氧化石墨烯片具有最大容量。

“这一观察结果非常重要，因为石墨是制造氧化石墨烯的前?体，其钠的容量可以忽略不计，而且长期以来一直被认为是钠电池的可行电极，”辛格说。“石墨是当前锂离子电池的首选材料，因为层间距适合较小尺寸的锂离子扩散进出。”

研究人员首次证明，完全由氧化石墨烯片组成的柔性纸可以用钠离子充电和放电1000多次。溶解在碳酸亚乙酯中的高氯酸钠盐在其细胞中充当电解质。

“用于钠电池的大多数锂电极材料甚至不能持续超过几十次充电和放电循环，因为钠比锂大得多并且导致巨大的体积变化和对主体材料的损害，”Singh说。“这种设计是独一无二的，因为单个石墨烯层之间的距离足够大，可以快速插入和提取钠离子，这要归功于氧气和氢原子阻止了纸张重新堆叠。”

辛格和他的团队还研究了由还原氧化石墨烯片制成的电极的机械性能。研究人员测量了撕开电极所需的应变。通过摄像，他们展示了皱巴巴的氧化石墨烯纸在失败前承受大应变的能力。

“这种测量和失效机理的研究对于设计长寿命电池非常重要，因为你希望电极能够反复膨胀和收缩而不会破裂数千次，特别是对于较大的非锂金属离子电池，”辛格说。“现在，几乎每个人都使用皱巴巴的石墨烯作为导电剂或弹性支撑剂或两者兼而有之。”

今年早些时候，辛格和他的团队展示了大规模合成几层厚的二硫化钼薄片。他们还表明，二硫化钼/石墨烯复合纸具有作为钠离子电池的高容量电极的潜力。在那项研究中，科学家们使用石墨烯作为二硫化钼薄片的电子导体，并观察到石墨烯对钠的活性很大。

他们的最新研究表明，与钠不同，rGO的锂容量随着rGO合成温度的升高而增加，达到900℃下生产的样品的最大值。

“现在我们才意识到石墨烯或rGO的钠容量取决于其加工温度，”辛格说。“我们之前研究中的rGO标本是在900摄氏度下制备的。”

Singh说，研究钠和非锂电池很重要，原因有几个。随着焦点从车辆转移到固定式能量存储系统和大型车辆，固定电池需要更便宜，安全且环保。由于其丰度很高，钠是替代锂离子电池的潜在候选者。

通过专注于纳米技术，辛格和他的团队能够探索和设计可以可逆地储存钠离子并且没有损坏的材料。他们在氧化石墨烯中找到了答案，氧化石墨烯可以使钠离子循环超过1,000次循环。

辛格和他的团队将继续探索新的纳米材料，并专注于可以以具有成本效益的方式批量生产的材料。

“我们希望进行基础研究，以了解由二维层状晶体(如过渡金属硫属元素化物，石墨烯等)制备的金属离子电池阳极常见的第一次循环损耗，电压滞后和容量降低的起源， “辛格说。

研究人员还在研究其他已被排除为电池电极的纳米材料，如氮化硼片和硅氮基陶瓷。