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石墨烯变为蓄电池电极,可用光驱实现“量产”

导读: 作为碳材料的一种,石墨烯很有希望成为蓄电池的电极材料。美国加州大学洛杉矶分校(UCLA)和日本物质材料研究机构(NIMS)各自都开发出了使用石墨烯作为电极、能量密度与充电电池相当的电容器。

  作为碳材料的一种,石墨烯很有希望成为蓄电池的电极材料。美国加州大学洛杉矶分校(UCLA)和日本物质材料研究机构(NIMS)各自都开发出了使用石墨烯作为电极、能量密度与充电电池相当的电容器。两者在制造石墨烯时都开发了独自的方法,有利用制造消费类产品的技术的,也有在石墨烯中加入碳纳米管(CNT)的。

  在DVD上成膜的氧化石墨上,用DVD激光形成了图案

  在DVD上成膜的氧化石墨(黄金色)上,用DVD激光形成了图案。激光照射到的部分变成了多层石墨烯,颜色也变成黑色。(摄影:Maher El-Kady, UCLA)

  利用市售的光盘驱动器

  UCLA表示,20美元左右的低价CD/DVD光驱是制作石墨烯电极的出色“制造装置”(图1)。具体的制造方法如下:首先,将石墨粉末氧化,变成“氧化石墨(GO)”粉,然后将其混入水溶液中,均匀涂在PET(polyethyleneterephthalate)等薄膜基板上注1)。接下来,将其烘干后贴在CD/DVD光盘上,并放入光驱中,用刻录CD时使用的激光进行照射注2)。

  光驱变为石墨烯的“制造装置”

  图1:光驱变为石墨烯的“制造装置”

  UCLA开发的石墨烯电极材料的制造方法,以及采用该方法制造的柔性充电电池。在CD或DVD上贴上氧化石墨(GO)薄膜,将其放入CD/DVD的光驱,用红外线激光照射后,GO可变成多层石墨烯(LSG)。

  注1) 据说薄膜基板也可用铝(Al )箔及复印纸等代替。

  注2) 使用的激光是用来刻录CD的波长为788nm的红外光。

  GO被激光照射后,会被还原并剥离,变成多层石墨烯片重叠的“LSG(laser scribed graphene)”状态,颜色也会由黄金色变成黑色。最后将附有石墨烯的薄膜基板从光盘上剥离下来,便可将其用于电容器或充电电池。UCLA用这种方法试制出了面积为1cm2,厚度仅为68μ~82μm的柔性电化学电容器(EC)。

  UCLA尝试了多种材料作为这种薄型EC的电解液,包括(1)磷酸、(2)由磷酸与聚乙烯醇(PVA)树脂混合而成的凝胶状物质、(3)离子液体。据UCLA介绍,这些电解液均在保持电容器较高输出功率密度的情况下,实现了与锂离子充电电池相当的能量密度。

  尤其是电解液采用离子液体的EC,单位体积的最大能量密度约为1.36kWh/L,单位体积的最大输出功率密度约为20kW/L,这样的性能分别与薄型锂离子充电电池的能量密度以及铝电解电容器的输出功率密度相当。

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