美國(guó)勞倫斯利福摩爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)的研究人員發(fā)現(xiàn)，只要在鋰電池的電極中加入氫元素，就能大幅提高電池容量，使其延長(zhǎng)運(yùn)作時(shí)間以及加速傳輸作業(yè)。
鋰離子電池是一種可再充電的電池類(lèi)型，在放電過(guò)程中將鋰離子從電池負(fù)極移至正極，而在充電時(shí)再將正極的鋰離子移回負(fù)極。
鋰離子電池有幾項(xiàng)關(guān)鍵特性——容量、電壓以及能量密度，這些特性的表現(xiàn)最終都由鋰離子與電極材料的結(jié)合來(lái)決定。在電極的結(jié)構(gòu)、化學(xué)與形狀上的細(xì)微變化，都可能顯著影響鋰離子如何與其強(qiáng)烈鍵合的程度。
透過(guò)實(shí)驗(yàn)與計(jì)算，Livermore國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究保員發(fā)現(xiàn)，在鋰離子電池中，經(jīng)過(guò)氫元素處理的石墨烯奈米泡沫電極顯示出更高的容量以及更快的傳輸能力。
“這些發(fā)現(xiàn)提供了質(zhì)化分析觀點(diǎn)，有助于設(shè)計(jì)出基于石墨烯材料的高功率電極，”LLNL材料科學(xué)家Morris Wang表示。他同時(shí)也是這項(xiàng)發(fā)表于《自然科學(xué)報(bào)告》(Nature Scientific Reports)期刊的研究作者之一。
石墨烯材料在能量?jī)?chǔ)存元件的商業(yè)應(yīng)用，包括鋰離子電池與超級(jí)電容器，嚴(yán)重影響其以較低成本大量生產(chǎn)這種材料的能力。而常用的化學(xué)合成方法最后會(huì)留下大量的氫原子，它對(duì)于石墨烯的電化學(xué)性能帶來(lái)的效應(yīng)也難以確定。
Livermore實(shí)驗(yàn)室的研究人員進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)與多尺寸的計(jì)算發(fā)現(xiàn)，利用氫元素刻意對(duì)于富含晶界缺陷的石墨烯進(jìn)行底溫處理，實(shí)際上可以提高速率容量。氫元素與石墨烯中的缺陷相互作用后開(kāi)啟了較小的孔隙，能夠促進(jìn)鋰離子更易于滲透，從而提升傳輸速率。透過(guò)增加邊緣(氫元素最可能附著之處)附著的鋰離子，可提供更多的可循環(huán)容量。
“電極的性能提升是一項(xiàng)重要的突破，能夠開(kāi)啟更多現(xiàn)實(shí)世界的應(yīng)用，”Livermore實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)部門(mén)的博士后研究人員暨該研究論文的主要作者Jianchao Ye表示。
為了在石墨烯的鋰離子儲(chǔ)存性能中研究氫與氫化缺陷的作用，研究人員施加結(jié)合氫元素暴露的不同熱處理?xiàng)l件，著眼于其3D石墨烯奈米泡沫(GNF)的電化學(xué)性能，這主要是由富含缺陷的石墨烯組成的。研究人員采用3D石墨烯奈米泡沫的原因在于它具有多種潛在應(yīng)用，包括氫儲(chǔ)存、催化、過(guò)濾、絕緣、能量吸收、電容脫鹽、超級(jí)電容器和鋰離子電池等。
石墨烯3D泡沫不粘黏的特性可使其不至于因?yàn)樘砑觿┒兊酶鼜?fù)雜，因而可作為機(jī)理研究的理想選擇。
“我們發(fā)現(xiàn)在經(jīng)過(guò)氫元素處理后，石墨烯奈米泡沫電極有了顯著的進(jìn)步。藉由結(jié)合這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)結(jié)合與詳細(xì)的模擬，我們就能追蹤缺陷與氫離解之間的微妙互動(dòng)與進(jìn)展。針對(duì)石墨烯化學(xué)與形態(tài)進(jìn)行一些小小改變所帶來(lái)的成果，最后可能在性能方面帶來(lái)令人驚訝的巨大影響，”LLNL研究人員同時(shí)也是這項(xiàng)研究的另一名作者Brandon Wood表示。
根據(jù)這項(xiàng)研究結(jié)果顯示，這種可控制的氫元素處理過(guò)程也可用于其他基于石墨烯的陽(yáng)極材料中，實(shí)現(xiàn)最佳化鋰離子傳輸以及可循環(huán)儲(chǔ)存應(yīng)用。
