石墨烯在电池中的应用

　　来自欧盟石墨烯旗舰计划的第九工作组致力于开发创新型的实验路线，使以石墨烯为基础的材料未来可以应用于一些能量转化和存储设备上，例如光伏电池与燃料电池。

　　钙钛矿型光伏电池与染料敏化太阳能电池

　　加入石墨烯的钙钛矿型光伏电池是第九工作组的核心课题。这种太阳能电池含有一种具有钙钛矿结构的化合物，用于进行光捕获。钙钛矿是指一类陶瓷化合物，结构通式为ABX3。在钙钛矿型太阳能电池中，使用石墨烯或其他2D材料作为透明电极，来取代常用的氧化铟锡薄膜（ITO，indium tin oxide），在提高设备效率的同时大大降低了制造费用。除石墨烯之外，适合的2D材料还包括二硫化钼、二硫化钨和二硒化钨。钙钛矿技术的另一优点在于，它可以部分降低湿法工艺的费用。这项先进的技术也使得一些问题得以解决，例如长时间辐射下太阳能电池稳定性的降低。

　　来自罗马Tor Vergata大学的第九工作组科研人员Aldo di Carlo重新回到钙钛矿型光伏电池的制造全过程，尝试把石墨烯及相关材料集成到电池的不同元件中。寻常的实验方法却获得了超出期待的结果，研究人员观察到，具备石墨烯功能化构件的太阳能电池在性能上得到了明显改善。

　　Di Carlo以及他的学院给大家展示了石墨烯和相关材料添加剂的作用，一方面，通过电池两极更高的光载体运输速率提高了光子转化效率，另一方面，太阳能电池的稳定性也得到了改善。另外，染料敏化太阳能电池中铂修饰的对电极费用昂贵，基于此，研究人员阐述了使用石墨烯取代它的可能性。这将使太阳能电池的制造更加简单、更加可持续。

　　锂氧电池

　　剑桥大学的化学家近期向媒体高调宣布了在锂氧电池发展领域中的一项突破性进展，发表在Science期刊的文章也阐述了石墨烯如何改善锂氧电池的容量、能效以及稳定。这种新型锂氧电池的理论能量密度是目前广泛应用在移动设备中的锂离子电池能量密度的十几倍。

　　与目前最先进的可再充电电池相比，锂氧电池具有非常明显的优点。但在大功率应用中实现目前可行的具有选择性的技术之前，锂氧电池的发展仍颇具挑战。剑桥的研究人员在锂氧示范电池中使用了一种多孔的石墨烯电极，取代了常用的石墨电极。

　　剑桥大学研发的锂氧电池与之前的无水锂空气电池在化学机制方面有很大的不同。因为加入了碘化锂，锂氧电池中化学反应明显较低，而这些化学反应会使电池退化。所以剑桥大学研发的电池在多次充电和放电循环中展示了更好的稳定性。研究者已经将充电与放电的压差降低到0.2伏特，而压差越小，电池的能效越高。早前在锂空气电池上的尝试只把压差控制在0.5到1.0之间，然而0.2伏特更接近于锂离子电池的压差值，能效为93%。

　　项目组领头人Clare Grey说：“我们得到的实验成果无疑对这项技术是一个巨大的推动，虽然我们还未解决所有化学方面固有的问题，但我们的结果为实际中电池设备的向前发展指明了方向。”Grey小组的锂氧电池技术已经取得了技术专利，而且将通过剑桥大学旗下的商务部门剑桥企业做进一步的推广。

译自：2015年12月【欧盟】欧盟石墨烯旗舰计划

编译：工业和信息化部国际经济技术合作中心 徐媛

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