本刊 賈旭平

美國倫斯勒理工學(xué)院的工程學(xué)研究者們在石墨烯薄片上用激光或者是照相機(jī)閃光燈制造出無數(shù)個裂縫、氣孔和其他缺陷，并將這種帶有瑕疵的石墨烯材料應(yīng)用于鋰電池中，研發(fā)出了制作工藝簡單，比傳統(tǒng)石墨電極充電速度快10倍以上的高功率鋰電池。

充電式鋰電池是手機(jī)、筆記本電腦和平板電腦以及電動車等一系列產(chǎn)品必備的標(biāo)準(zhǔn)配備。鋰電池雖然具有較高的能量密度，但由于其充放電速度慢、功率密度低的特性使其往往需要花上數(shù)個小時進(jìn)行充電，這也是電動汽車引擎為什么需要一個超級電容，來進(jìn)行各種高能量功能操作的原因，如加速和剎車。

美國倫斯勒理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)由納米材料專家Nikhil Koratkar帶領(lǐng)，正在努力研發(fā)一種新型高能量和高功率密度電池，試圖解決這一問題。這種發(fā)明也將使得電動汽車減少對鋰電池及其配套的超級電容的依賴，轉(zhuǎn)而需求單一的高能量密度、高功率密度的鋰電池。

Nikhil Koratkar認(rèn)為當(dāng)前生產(chǎn)這種新型石墨烯鋰電池的商業(yè)化條件已經(jīng)成熟，將會對電動汽車和便攜電子產(chǎn)品的電池和供電系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響。這篇文章已經(jīng)在ACS Nano（美國化學(xué)學(xué)會納米雜志）刊物上發(fā)表，名為“Photo-thermally reduced graphene as high power anodes for lithium ion batteries”(光熱還原石墨烯作為鋰離子電池的高功率負(fù)極)。

鋰電池作為一種高能量的電池，其充電的速度受到了石墨電極的限制，因?yàn)殇囯x子只能通過石墨電極的邊緣進(jìn)出電池，就像僅僅通過單片石墨烯進(jìn)行傳輸一樣。Koratkar研究小組的解決方法是制備一種氧化石墨烯薄片，和普通紙一樣的厚度，并將一部分石墨烯薄片暴露在激光下，而另一部分薄片暴露在照相機(jī)閃光燈下。這樣激光和閃光燈就能在薄片中引發(fā)小型爆炸，氧化石墨烯中的氧原子就能一下從這個結(jié)構(gòu)中蹦出來。然后這個薄片就變成了一個擁有無數(shù)個裂縫、氣孔、空隙和其他瑕疵的石墨烯薄片。氧原子的逃逸也在石墨烯薄片內(nèi)部造成了無數(shù)個空隙，使其厚度增加了5倍以上。

研究者們很快發(fā)現(xiàn)這種受損的石墨烯可以作為鋰離子電池的一種理想電極材料。之前鋰離子電池都要在石墨表面走過全程，而現(xiàn)在有了裂隙和氣孔，鋰離子就可以選擇這些裂縫作為捷徑，從而大大增加電池的功率密度。團(tuán)隊(duì)向外界展示了在不減少能量密度的條件下，新型石墨烯鋰電池是如何用僅相當(dāng)于傳統(tǒng)鋰電池十分之一的時間來進(jìn)行充放電。盡管有較多的缺陷，但石墨烯薄片電極依然十分強(qiáng)韌，并且能夠成功完成1000次以上的充放電。

如何制作光熱還原石墨烯及其特性

制作光熱還原石墨烯薄片可采用兩種方法，見示意圖1。一種是采用最大功率為 80 W，波長 9.3 μm，激光點(diǎn)尺寸 ～0.004 in(如 100 μm)的Synrad Firestar T80 CO2激光裁剪機(jī)來還原石墨烯氧化物。所用的光柵行間距為100 μm，與激光焦點(diǎn)尺寸相等。激光裁剪機(jī)以最低功率4.8 W工作，單向掃描一片直徑為50 mm的石墨烯氧化物薄片，薄片發(fā)生崩解后就會轉(zhuǎn)變?yōu)榧す膺€原石墨烯薄片，如圖1（a）所示。第二種方法是使用簡單的數(shù)碼相機(jī)閃光燈（Samsung ES 15）聚焦在有待還原的石墨烯氧化物上，如圖1（b）所示。閃光燈與石墨烯氧化物薄片直徑的距離為～1 cm，采用多次閃光的方法可使石墨烯氧化物被均勻地還原。采用上述兩種方法獲得的石墨烯結(jié)構(gòu)類似，如若作為鋰離子電池的負(fù)極，性能也類似。采用閃光燈法所獲得的石墨烯結(jié)構(gòu)強(qiáng)韌，柔韌性好，如圖1(c)所示。同時，閃光燈法獲得的石墨烯也易于處理和使用。從SEM圖像可以看出：與石墨烯氧化物相比，光熱還原的石墨烯存在裂縫和孔洞，見圖 1（d）。

圖1 光熱還原石墨烯氧化物

圖2（a）為閃光燈還原的石墨烯的SEM圖。從圖中可以看出石墨烯表面有很多較深的裂縫和空隙，尺寸達(dá)幾十微米，而這些現(xiàn)象在肼還原石墨烯中則觀察不到[圖2（c）]。這些裂縫和孔可以很清楚地被觀察到，如果將這種石墨烯應(yīng)用在鋰離子電池中，那么電解質(zhì)就可以很容易地進(jìn)入整個石墨烯結(jié)構(gòu)，從而使鋰離子具有更好的運(yùn)輸和嵌入機(jī)制。而且，激光和閃光燈還原的石墨烯氧化物都具有高度的膨脹結(jié)構(gòu)[薄片的橫截面如圖2（b）]，同時又擁有令人驚訝的完整性和強(qiáng)健性。石墨烯氧化物的原始厚度為 10～20 μm，光熱還原后可達(dá)～100 μm。膨脹后的截面圖顯示相鄰的石墨烯之間有較大的空隙。因此，電解質(zhì)可以更深入地滲到石墨烯負(fù)極，不僅是通過薄片表面的孔和裂縫[如圖 2（a）]，還可以沿著平面方向較大的連續(xù)管道（在膨脹的石墨烯層之間形成的）[如圖2（b）]。這在促進(jìn)鋰離子擴(kuò)散和嵌入方面非常重要，尤其是在高倍率充放電條件下。

圖2 光熱還原和肼還原石墨烯氧化物的SEM圖

石墨烯氧化物薄片在經(jīng)過還原之后形成的大量裂縫和膨脹可能是因?yàn)槭┭趸镌诩す饣驍?shù)碼相機(jī)閃光燈的短時輻照下的瞬間脫氧造成的。氧的快速釋放和逃逸產(chǎn)生的壓力是造成薄片形成微孔、裂縫和空隙的主要原因。這種解釋可通過以下事實(shí)進(jìn)行驗(yàn)證：當(dāng)化學(xué)法還原（肼還原）的石墨烯薄片被暴露在相似的激光掃描下時 [見圖2（c）]，觀察不到類似的微孔和裂縫[見圖2（d）]。這表明在光還原過程中快速的氧釋放在形成膨脹和開放的孔結(jié)構(gòu)方面是起作用的 [見圖2（a～b）]。