伯克利實驗室的研究人員組裝分層交替的石墨烯和錫，制成一種納米復(fù)合材料。首先，一層錫薄膜沉積在石墨烯上。接下來，另一層石墨烯轉(zhuǎn)移到錫薄膜上。重復(fù)這一過程，然后，加熱復(fù)合材料，錫薄膜就轉(zhuǎn)變成一系列柱子。石墨烯層間高度的變化，可以提高電極性能，使電池可快速反復(fù)充電，不會退化。
來源：勞倫斯伯克利國家實驗室
美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室（Lawrence Berkeley National Laboratory）的研究人員已經(jīng)創(chuàng)造了一種石墨烯和錫的納米復(fù)合材料，使可再生鋰離子電池可高容量儲能。把錫夾在石墨烯薄片之間，研究人員就制成了一種新的輕型“三明治”結(jié)構(gòu)，可以提高電池的性能。
“對于電動汽車而言，您需要一種輕巧的電池，可以迅速充電，而且經(jīng)反復(fù)使用后，仍可保持充電容量，”張粵港（Yuegang Zhang）說，他是伯克利實驗室分子鑄造部（Molecular Foundry）研究員，在無機納米結(jié)構(gòu)所（Inorganic Nanostructures Facility），領(lǐng)導(dǎo)這項研究。“這里，我們已經(jīng)展示的，是合理設(shè)計的納米級結(jié)構(gòu)，不需要添加劑或粘結(jié)劑就可以運行，可提高電池性能。”
石墨烯是一種單原子厚的“雞線”晶格狀碳原子，具有非凡的電子和機械性能，遠遠超過硅和其它傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料。以前的石墨烯研究中，張粵港和他的同事強調(diào)了電子設(shè)備的應(yīng)用。
在這項研究中，這個小組組裝分層交替的石墨烯和錫，創(chuàng)造了一種納米復(fù)合材料。要創(chuàng)造這種復(fù)合材料，一層錫薄膜就要被沉積到石墨烯上。接下來，另一層石墨烯片被轉(zhuǎn)移錫薄膜上。重復(fù)此過程，就可制成一種復(fù)合材料，然后，在氫氣和氬氣環(huán)境中，把它加熱到300攝氏度（572華氏度）。在這一熱處理期間，錫薄膜會轉(zhuǎn)化成一系列柱子，增加了錫層的高度。
“從錫薄膜形成這些納米柱，對于這一系統(tǒng)而言是非常特別的，我們發(fā)現(xiàn)，上下層石墨烯之間的距離也隨之改變，以適應(yīng)錫層的高度變化，”紀(jì)李文（Liwen Ji）說，他是鑄造部的博士后研究員。紀(jì)李文為主要作者，張粵港為通信作者的一篇論文，報道了這一研究，發(fā)布在雜志《能源和環(huán)境科學(xué)》（Energy and Environmental Science）上。
在這些新的納米復(fù)合材料中，石墨烯層間高度的變化，有助于電池的電化學(xué)循環(huán)過程，因為錫的體積變化提高了電極的性能。此外，這個可調(diào)節(jié)的行為，意味著電池可迅速反復(fù)充電，不會退化，這對于電動汽車充電電池而言是關(guān)鍵的。
“我們在伯克利實驗室有一個很大的電池計劃，我們能夠制造高度可循環(huán)的電池單元.。通過我們與碳循環(huán)2.0（Carbon Cycle 2.0）計劃的互動，材料科學(xué)部的研究人員得益于優(yōu)質(zhì)電池設(shè)施和人員，加之，我們了解到了用什么制備更好的電極，”聯(lián)合作者巴塔利亞（Battaglia）說，他是伯克利實驗室環(huán)境與能源技術(shù)部高級能源技術(shù)部門的項目經(jīng)理。“作為回報，我們有一個窗口，可以讓開發(fā)下一代材料的科學(xué)家們談?wù)勥@些要求。”
