石墨烯制備更高容量鋰電池

美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室(LawrenceBerkeleyNationalLaboratory)的研究人員已經創造了一種石墨烯和錫的納米復合材料，使可再生鋰離子電池可高容量儲能。把錫夾在石墨烯薄片之間，研究人員就制成了一種新的輕型“三明治”結構，可以提高電池的性能。

“對于電動汽車而言，您需要一種輕巧的電池，可以迅速充電，而且經反復使用后，仍可保持充電容量，”張粵港(YuegangZhang)說，他是伯克利實驗室分子鑄造部(MolecularFoundry)研究員，在無機納米結構所(InorganicNanostructuresFacility)，領導這項研究。“這里，我們已經展示的，是合理設計的納米級結構，不需要添加劑或粘結劑就可以運行，可提高電池性能。”

石墨烯是一種單原子厚的“雞線”晶格狀碳原子，具有非凡的電子和機械性能，遠遠超過硅和其它傳統半導體材料。以前的石墨烯研究中，張粵港和他的同事強調了電子設備的應用。

在這項研究中，這個小組組裝分層交替的石墨烯和錫，創造了一種納米復合材料。要創造這種復合材料，一層錫薄膜就要被沉積到石墨烯上。接下來，另一層石墨烯片被轉移錫薄膜上。重復此過程，就可制成一種復合材料，然后，在氫氣和氬氣環境中，把它加熱到300攝氏度(572華氏度)。在這一熱處理期間，錫薄膜會轉化成一系列柱子，增加了錫層的高度。

“從錫薄膜形成這些納米柱，對于這一系統而言是非常特別的，我們發現，上下層石墨烯之間的距離也隨之改變，以適應錫層的高度變化，”紀李文(LiwenJi)說，他是鑄造部的博士后研究員。紀李文為主要作者，張粵港為通信作者的一篇論文，報道了這一研究，發布在雜志《能源和環境科學》(EnergyandEnvironmentalScience)上。

在這些新的納米復合材料中，石墨烯層間高度的變化，有助于電池的電化學循環過程，因為錫的體積變化提高了電極的性能。此外，這個可調節的行為，意味著電池可迅速反復充電，不會退化，這對于電動汽車充電電池而言是關鍵的。

“我們在伯克利實驗室有一個很大的電池計劃，我們能夠制造高度可循環的電池單元.。通過我們與碳循環2.0(CarbonCycle2.0)計劃的互動，材料科學部的研究人員得益于優質電池設施和人員，加之，我們了解到了用什么制備更好的電極，”聯合作者巴塔利亞(Battaglia)說，他是伯克利實驗室環境與能源技術部高級能源技術部門的項目經理。“作為回報，我們有一個窗口，可以讓開發下一代材料的科學家們談談這些要求。”