石墨烯电池是如何制造的？

石墨烯是一种类似于石墨、钻石和煤的碳同素异形体。它具有二维 (2D) 结构和六边形图案，这是由于其几何形状所致。这使得它具有结构灵活性和其他一些理想的电气和机械特性。

石墨烯电池的制造

电池中的石墨烯主要用作柔性电极。目前生产石墨烯的主要方法有四种：氧化石墨剥离法、改良的Hummers法、外延生长法和化学气相沉积法。

悍马法和剥离氧化石墨 

Hummers 法通常用于生产石墨烯。在此过程中，将 KMnO 4和 NaNO 3溶解在浓 H 2 SO 4中以进行有效氧化，从而使石墨烯层从氧化石墨上刮下。根据应用要求，有多种方法可以修改 Hummers 法。

首次生产时，石墨烯片是通过使用透明胶带的机械剥离制备的。在这种方法的更经济的改进中，使用三辊研磨系统连续剥离石墨。然后在辊中心和进料之间放置粘合剂，石墨分散在粘合剂上。剥离后，在 500°C 的马弗炉中烧掉树脂层，生成纯石墨烯。

化学气相沉积 

化学气相沉积 (CVD) 包括将碳加热成蒸汽和/或降低大气压力以涂覆基底。金属用作基底，在石墨烯生长中充当催化剂。该过程包括三个关键阶段：(i) 碳在金属膜中的扩散，(ii) 冷却薄金属膜以剥离其中的碳（因为溶解度降低），以及 (iii) 石墨烯层的表面生成。另一种方法称为等离子体增强化学气相沉积 (PECVD)，与 CVD 相比具有优势，例如在纳米结构或塑料基底上直接生长。

外延生长 

大规模生产石墨烯薄膜可以使用外延生长作为微加工方法。外延使用 SiC 作为绝缘体衬底，因为它含有碳且具有柔韧性，因此在去除或熔化硅后可以保留碳（石墨烯）。然而，在较大面积上实现均匀厚度仍然很困难，此外，制成的石墨烯层的电子特性会受到衬底键合的影响。这些缺点可以通过使用不同的衬底来消除。

石墨烯与商用电池的结构差异

传统电池通常采用锂和锌作为电极材料。然而，由于电荷密度较高，它们的寿命较短。在新型电池中，阳极通常使用锂钴氧化物 (LiCoO 2 ) 或磷酸铁锂 (LiFePO 4 ) 制成。

另一方面，石墨烯是一种具有六边形结构、蜂窝状晶格排列的二维碳原子片。这种结构是碳原子的 sp2 杂化产生的三角平面几何结构的结果。其中，单个碳原子与其他三个碳原子相连。这种二维结构及其六边形图案和几何形状为石墨烯提供了结构灵活性。

石墨烯电池比现有的锂离子电池 (LiB) 更轻、更薄。此外，使用石墨烯可实现更高的充电容量。锂离子可以存储高达 180 Wh/kg 的能量，而石墨烯可以存储高达 1000 Wh/kg 的能量。

与传统锂离子电池不同，石墨烯电池耐用、轻便，适合储存高容量能量，同时充电时间更短。锂离子电池（和其他可充电电池类型）也可以通过将石墨烯加入电池阳极来改进，以获得更高的性能和形态优化。

石墨烯电池的未来前景

随着锂离子电池接近其最大理论效率，石墨烯基电池可能成为未来便携式电子电池行业的趋势。随着石墨烯电池的实施，阻碍多个行业扩张的锂离子电池的缺点可能会被消除。此外，石墨烯电池最小的技术和环境限制也展现出工业可持续性的潜力。

由于充电容量增加且温度稳定，石墨烯电池可使电动汽车进一步实现商业化。此外，石墨烯电池未来还可能应用于生物医学植入物或植入式医疗设备 (IMD)。在最近的一项研究中，开发了一种全石墨烯电池，由于阴极和阳极都表现出更快的表面反应，同时电导率和多孔形态增加，因此表现出显著的高功率密度。

由于这一发现相对较新，因此正在进行研究以寻找石墨烯的商业化生产方法。三星已经开发出一种“石墨烯球”电池，相关生产过程表明该技术具有商业应用潜力。然而，石墨烯的特性尚未完全了解。目前，研究已经证明，石墨烯电池的使用可以为当今的锂离子电池提供一种环保且经济可持续的解决方案。