鉅大LARGE | 點擊量：491次 | 2022年08月25日
基于氧化石墨烯的電化學電池將面世
在過去的十年中，鋰離子電池的電能已經被用來為電動汽車和混合動力汽車提供動力。鋰離子電池也被用作筆記本電腦和手機等便攜式電子設備的主要儲能系統。然而，由于其低功率密度，鋰離子電池取得了有限的成功，特別是在電動車輛和混合動力電動車輛的商業應用中。因此，今天在汽車應用中使用的鋰離子電池常常與諸如傳統內燃機或電容器的額外能源耦合。并入額外的能量存儲系統不僅使電動車輛的設計復雜化，而且自然增加了車輛的成本，使其在經濟上不太可行。
氧化石墨烯是以可變比率通過用強氧化劑處理石墨獲得的碳，氧和氫的化合物。氧化的本體產物是C/O比為2.1-2.9的黃色固體。氧化石墨烯的結構和性質取決于特定的合成方法和氧化程度，然而，氧化石墨烯結構通常保留母體石墨的層結構，包括氧化石墨烯氧化物納米片的堆疊層。另外，氧化石墨烯是親水性的并且可以分散在水或水溶液中以形成膠體。
基于氧化石墨烯的電化學電池和包含多個電化學電池的電池在其中至少一個是這種基于氧化石墨烯的電化學電池。石墨烯基于氧化物的電化學電池10具有通過電解質水溶液14與陰極16分離的陽極12，全部包含在具有與陽極12和陰極16電接觸的合適端子(未示出)的絕緣容器18中。非水電解質溶液14包含水，氧化石墨烯納米片和溶解在水中的過渡金屬鹽例如CuCl2。
石墨烯的陽極氧化物基電化學電池可以由金屬或合金制成。在一個實施例中，電化學電池的陽極是鋁。在另一個實施例中，陽極可以是鐵。在另一個實施例中，陽極可以是銅。在另一個實施例中，陽極可以是鋅。在另一個實施例中，陽極可以是鎂。在又一個實施方案中，陽極可以是包含至少兩種選自鋁，鐵，銅，鋅和鎂的金屬的合金。
由于石墨烯氧化物基電化學電池使用金屬作為陽極，金屬在放電期間作為“燃料”被消耗，即金屬燃料被氧化，氧化的金屬燃料離子以可還原形式保留在電解質溶液中(作為溶劑化離子，或與其他離子結合，例如在分子或復合物中)。包含金屬燃料的電化學電池的顯著問題是在閑置模式(例如儲存)期間腐蝕或自放電的趨勢。這通常意味著可用容量的損失。在更極端的情況下，自放電可能會導致放氣，超壓可能會破壞電池密封，最終導致電池故障。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
氧化石墨烯形成納米結構或納米片的堆疊層。在一些實施例中，氧化石墨烯納米片具有起皺和/或波紋形態，其中石墨烯的基面的皺紋或波紋的高度氧化物納米片的范圍從小于0.2nm至約3nm。在其他實施例中，高度可以在約0.5nm至約2.5nm的范圍內。在其他實施例中，高度可以在約1nm至約2nm的范圍內。在其他實施例中，高度可以在約0.5nm至約1.5nm的范圍內。取決于化學結構，納米片的尺寸和其他因素，氧化石墨烯納米片的皺紋或起伏的數量可以變化，例如從1到大約10。另外，氧化石墨烯氧化物納米片的堆疊層可以是波紋狀的。皺紋，波紋或波紋狀石墨烯氧化物納米片具有比可比尺寸的非皺紋，非波紋或非波紋納米片明顯更大的表面積，有助于氧化石墨烯的高導電性。
取決于合成氧化石墨烯的方法，其包括但不限于電弧放電(下文描述)，Hummers方法和Brodie方法，可以獲得不同厚度的氧化石墨烯納米片。在一個實施方案中，用于電化學電池中的氧化石墨烯納米片具有4nm至8nm，優選5nm至7nm，更優選約6nm的平均厚度。石墨烯的寬度氧化物納米片可以是幾微米。在一個實施例中，氧化石墨烯納米片具有約7μm的寬度。在一些實施例中，氧化石墨烯納米片的寬度可以在約1μm至約20μm的范圍內。在其他實施例中，寬度可以在從約3μm到約18μm的范圍內。在其他實施例中，寬度可以在從約5微米到約15微米的范圍內。在其他實施例中，寬度可以在從約7微米到約12微米的范圍內。在其他實施例中，寬度可以在約8μm至約10μm的范圍內。
取決于氧化石墨烯合成方法和合成后處理，石墨烯可以獲得不同尺寸的氧化物納米片。例如，通常用于加速石墨烯氧化物在水或水溶液中分散以形成膠體的超聲處理減小了氧化石墨烯納米片的尺寸。在一些實施例中，氧化石墨烯納米片可以具有范圍從約10nm到約1000nm的面積。在其他實施例中，氧化石墨烯納米片的面積可以在20至900nm的范圍內。在其他實施例中，氧化石墨烯納米片的面積可以在40至800nm的范圍內。在其他實施例中，石墨烯的面積氧化物納米片可以在60-700nm范圍內。在其他實施例中，氧化石墨烯納米片的面積可以在80至600nm的范圍內。在其他實施例中，氧化石墨烯納米片的面積可以在100-500nm的范圍內。在其他實施例中，氧化石墨烯納米片的面積可以在150-400nm的范圍內。在其他實施例中，氧化石墨烯納米片的面積可以在200至300nm的范圍內。
所述石墨烯氧化物基電化學電池是亞穩定的，因為多層石墨烯氧化物是一種亞穩態材料，其結構和化學性質在室溫下進行，例如在20℃。C.，具有約一個月的特征性放松時間。在準平衡時，氧化石墨烯達到幾乎穩定的O/C比降低，并且呈現出缺少環氧基團并富含羥基的結構。氧化石墨烯納米片的結構和化學變化是由氧化石墨片中氫的可用性驅動的，這有利于環氧基團的減少和水分子的形成。
如此方法所述改變電極和電解質的組成可以改變開路電壓，短路電流和最大功率。例如，選擇除鋁之外的金屬或合金作為陽極可以改變開路電壓。短路電流可以通過改變電解質的濃度來改變，例如氧化石墨烯和/或CuCl2。
此外，修改電解質的組成還可以改變電壓和/或電流，導致石墨烯的最大功率的變化氧化物基電化學電池。例如，將一種或多種選自硝酸銀和氯化金的過渡金屬鹽加入到包含氧化石墨烯和CuCl2的電解質水溶液中可以增加氧化石墨烯基電化學電池的電流和/或電壓。在這種情況下，可以將硝酸銀溶液和/或氯化金(AuCl3)溶液與石墨烯氧化物膠體，任選地接著超聲處理。然后可以將該混合物與CuCl2粉末或濃縮的CuCl2儲備溶液混合以獲得最終的改性電解質溶液。在一些實施方案中，改性電解質溶液中硝酸銀或氯化金的濃度范圍為0.01nM至1nM，優選0.05nM至0.8nM，更優選0.1nM至0.6nM，更優選0.2nM至0.4nM，最優選約0.3nM。
所述的石墨烯，其中至少一個的氧化物基電池可以通過連接幾個單電化學電池來制造，是石墨烯氧化物基電化學電池彼此并聯和/或串聯。其中兩串氧化石墨烯基電化學電池并聯排列的電池的一個實施方案，其中每串包含串聯布置的三個電池。
