石墨烯变为蓄电池电极,可用光驱实现“量产”

2012-04-23 18:55:23来源: 日经电子

    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(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

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)。


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。

兼顾高质量和低成本

    此前,研究人员为了把碳材料用作充电电池的电极做过很多尝试,CNT等被视为前景广阔的材料。但是,CNT的价格较高,实用化步伐较慢。而电极用石墨烯一般能以低于CNT的成本制造,而且,石墨烯还有望具备高于CNT的比表面积及导电率,因此作为超过CNT的电极材料而备受关注。

  但是,此前石墨烯电极存在输出功率密度低的问题。主要原因是,GO的还原与剥离不够充分,采用湿法工艺还原的石墨烯片凝聚在一起,导致电极的导电率降低。而此次UCLA采用的方法是先涂上GO溶液,然后再采用干法工艺进行还原、剥离。可以实现充分的还原和剥离,同时还解决了凝聚问题。另外,还能以更低的成本量产。理由是激光照射法与制造大面积多晶硅的“激光退火法”十分接近。

通过添加CNT实现高性能

  如果只是将UCLA制造的EC作为单纯的电容器或充电电池使用,现有低价产品也能实现同等水平的性能。日本物质材料研究机构(NIMS)通过在石墨烯中添加CNT来制作电极,使输出功率密度与能量密度达到了前所未有的高水平(图2)。

 
图2:利用石墨烯和CNT接近开发目标
NIMS开发的石墨烯电极材料的构造及性能(a、b)。在石墨烯中添加CNT之后,CNT会通过自组织方式自然地进入石墨烯中。这制造了适当的间隙,使电流及离子的密度增加。

    NIMS采用该电极与水性电解液制造EC时发现,电极单位重量的输出功率密度为58.5kW/kg,单位重量的能量密度为62.8Wh/kg,“分别是采用活性炭电极时的10倍”(NIMS)。采用离子液体作为电解液时,能量密度进一步提高到了155.6Wh/kg。

关键字:变为  电极  实现  量产

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/2012/0423/article_5363.html
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