石墨烯電池發(fā)明人是英國曼徹斯特大學(xué)的AndreGeim（海姆）和KonstantinNovoselov（諾沃肖洛夫）。

石墨烯又被稱為“黑金”、“新材料之王”，被譽為改變21世紀(jì)的“神奇材料”，不僅在特種航天、太陽能利用、納米、電子學(xué)、生物醫(yī)療、復(fù)合型材料等領(lǐng)域有廣泛運用，而且在我們服飾、日用品等也獨具商業(yè)應(yīng)用潛能。

石墨烯是目前發(fā)現(xiàn)的最薄、強(qiáng)度最大、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強(qiáng)的一種新型納米材料；是獲得諾貝爾獎的21世紀(jì)“神奇材料”，未來一定會給人類的生活帶來巨大改變，比如石墨烯電池20秒鐘就能充滿電且使用半個月，比如石墨烯電池的電動汽車充電10分鐘能續(xù)航1000公里，這將是對世界的顛覆。

石墨烯電池是通過改進(jìn)現(xiàn)有的鋰離子電池制成的。這是通過在電極中添加石墨烯來實現(xiàn)的，石墨烯可以改變電極的化學(xué)和物理性質(zhì)。結(jié)果改善了充放電速率特性和容量。改進(jìn)的放電速率意味著石墨烯電池具有更高的最大輸出功率。

石墨烯電池是一項新技術(shù)，仍在研究中。最佳的制造工藝還有待發(fā)現(xiàn)。在這一領(lǐng)域缺乏知識，同行評議的科學(xué)材料仍然稀缺。我們將試著用一個可以在科學(xué)文獻(xiàn)中找到的例子來解釋這個工作原理。

石墨烯電池是如何制造的？

石墨烯氧化釩電池

萊斯大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種新材料，它是氧化釩（VO2）和石墨烯的混合物。該混合電源可用于鋰離子電池陰極。測量結(jié)果表明，這種混合陰極能在20秒內(nèi)完全充放電，并能承受1000多次充電循環(huán)。1000次循環(huán)后，容量仍優(yōu)于標(biāo)稱的90%。

釩氧化物在鋰離子電池中具有高的能量容量。這是因為它們像海綿相同收集鋰離子。使用氧化釩（VO2）或五氧化二釩（VO5）的缺點是，氧化物通常是不好的導(dǎo)電體。低電導(dǎo)率導(dǎo)致較慢的充放電速率。

科學(xué)家們找到了一種利用石墨烯作為氧化釩結(jié)構(gòu)骨架的方法，石墨烯是一種優(yōu)秀的導(dǎo)體。這種混合材料從氧化釩那里繼承了良好的容量特性，從石墨烯那里繼承了良好的導(dǎo)電性，從而可以快速充電。

該工藝由氧化石墨納米片與VO5粉末混合而成。混合物懸浮在水中并加熱到高溫。在這些溫度下，五氧化二釩還原為VO2，而氧化石墨則還原為石墨烯。當(dāng)VO2結(jié)晶時，它會形成約10納米厚、600納米寬的納米帶，并帶有單原子厚度的石墨烯涂層。這些帶有幾十微米長，它們有非常大的比表面積，由于VO2的離子浸泡特性和石墨烯的高導(dǎo)電性，使得電子和鋰離子的擴(kuò)散非?？?。這兩個特性的結(jié)合，使快速充放電率，以及高的最高功率輸出這些電池。

制造石墨烯電池的真正技術(shù)難點在于vo2-石墨烯混合材料的實際制造。為了生產(chǎn)這種混合物，必須非常精確地控制溫度、壓力和混合物濃度等工藝條件。這些工藝參數(shù)現(xiàn)在相比較較有名，而且可以很容易地控制，從而實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。

石墨烯磷酸鐵鋰離子電池

磷酸鐵鋰鋰離子電池又稱磷酸鐵鋰（LFp），是一種以磷酸鐵鋰為陰極的可充電電池。LFp電池是一種可充電的鋰離子電池。盡管它們的能量密度比其他一些消費級鋰離子電池要低，但它們的功率密度卻更高。功率密度是電池供應(yīng)能量的速率指標(biāo)。

由于其較高的功率密度，他們是特別有趣的使用在電動汽車。LiFepo4電池具有更好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，它比其他鋰離子電池更安全。它們在充電過程中很難點燃，LFp電池比其他鋰離子電池在充電失敗前更容易被濫用。

石墨烯電池不僅充電速度比鋰離子電池快很多倍，而且容量也更大，超過了傳統(tǒng)LFp電池的理論最大容量。

將LiFepo4納米顆粒與氧化石墨烯納米薄片混合，并采用噴霧干燥和退火等工藝。結(jié)果是一種由LiFepo4初級納米顆粒嵌入次級球形微粒組成的材料，這些微粒通過石墨烯片的三維網(wǎng)絡(luò)松散地包裹在一起。

石墨烯是一種極好的導(dǎo)電材料，它的應(yīng)用大大提高了電子的遷移率和遷移率。石墨烯片上的納米孔可以新增整個三維石墨烯基體的Li+遷移率。他們創(chuàng)造的基本上是一個離子海綿，可以吸收鋰離子，同時允許電子在矩陣中自由移動。

當(dāng)應(yīng)用于石墨烯電池時，這種新型的lifepo4-石墨烯復(fù)合材料產(chǎn)生了很好的效果，使電池具有一些很好的性能。首先，比容量是70毫安每克。這意味著你的手機(jī)電池重量可能低于20克。關(guān)于電動汽車來說，重量的減輕是一個受到熱烈歡迎的進(jìn)步，因為電動汽車可以使用數(shù)百公斤的電池來驅(qū)動。充放電率也有所提高。

這些改進(jìn)的LFp石墨烯電池可以在10℃充電，在20℃放電1000次，容量衰減率僅低于15%。為了更好地理解這一點，假如一個電池的額定電流是1200毫安，這意味著，理論上，它可以供應(yīng)1200毫安的電流，為一個小時。在這種情況下，1C代表額定電流，在我們的例子中是1200毫安。

普通鋰離子電池的充電溫度為0.5-0.8C，放電溫度可達(dá)1℃。另一方面，這些改進(jìn)的石墨烯電池能夠以比傳統(tǒng)鋰離子電池高20倍的速度可靠地充放電。峰值放電率被安全地提高到70C，這是電池功率密度提高70倍。

隨著批量化生產(chǎn)以及大尺寸等難題的逐步突破，石墨烯的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用步伐正在加快，基于已有的研究成果，最先實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的領(lǐng)域可能會是移動設(shè)備、特種航天、新能源電池領(lǐng)域。

消費電子展上可彎曲屏幕備受矚目，成為未來移動設(shè)備顯示屏的發(fā)展趨勢。柔性顯示未來市場廣闊，作為基礎(chǔ)材料的石墨烯前景也被看好。有數(shù)據(jù)顯示2013年全球?qū)κ謾C(jī)觸摸屏的需求量大概在9.65億片。到2015年，平板電腦對大尺寸觸摸屏的需求也將達(dá)到2.3億片，為石墨烯的應(yīng)用供應(yīng)了廣闊的市場。韓國三星公司的研究人員也已制造出由多層石墨烯等材料組成的透明可彎曲顯示屏，相信大規(guī)模商用指日可待。

另一方面，新能源電池也是石墨烯最早商用的一大重要領(lǐng)域。之前美國麻省理工學(xué)院已成功研制出表面附有石墨烯納米圖層的柔性光伏電池板，可極大降低制造透明可變形太陽能電池的成本，這種電池有可能在夜視鏡、相機(jī)等小型數(shù)碼設(shè)備中應(yīng)用。另外，石墨烯超級電池的成功研發(fā)，也解決了新能源汽車電池的容量不足以及充電時間長的問題，極大加速了新能源電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。這一系列的研究成果為石墨烯在新能源電池行業(yè)的應(yīng)用鋪就了道路。

由于高導(dǎo)電性、高強(qiáng)度、超輕薄等特性，石墨烯在航天特種領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢也是極為突出的。前不久美國NASA開發(fā)出應(yīng)用于航天領(lǐng)域的石墨烯傳感器，就能很好的對地球高空大氣層的微量元素、航天器上的結(jié)構(gòu)性缺陷等進(jìn)行檢測。而石墨烯在超輕型飛機(jī)材料等潛在應(yīng)用上也將發(fā)揮更重要的作用。