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碳小烯

新虫 (初入文坛)

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[交流] 加入氢元素就能延长锂电池续航力？已有3人参与

转载自烯碳资讯

最常见的3D石墨烯纳米泡沫材料，你可以在许多类型的电化学存储媒介中找到它，包括氢罐、超级电容、能量吸着剂、以及锂电池。
此外，它也被用于过滤、绝缘、以及海水淡化系统。科学家们相信，所有这些应用都会得益于这项新研究，并迎来不同程度的改善。

原子氢是在石墨烯生产过程中的残留物，但其在点存储应用中的角色则有些不太好理解。众所周知，氢吸附剂会影响石墨烯的结构。如果没有氢元素掺杂，它理论上就是一个不导电的绝缘体了。

美国劳伦斯利福摩尔国家实验室(LLNL)的研究人员发现，只要在锂电池的电极中加入氢元素，就能大幅提高电池容量，使其延长运作时间以及加速传输作业。LLNL的目标是找到氢与石墨烯在生产过程中的关系到底如何，以及如何操纵和改进用于存储媒介的石墨烯质量。团队的实验涉及了在低温下处理石墨烯与氢，这会导致石墨烯被氢元素打开一个小破孔，使锂能够更轻易地穿透。

这一改进不仅可以提升其放电功率，也能够增强其吸收能力。此外，由于锂能够更轻易地约束到石墨烯材料边缘的地方，整体容量也会得到提升。

锂离子电池有几项关键特性——容量、电压以及能量密度，这些特性的表现最终都由锂离子与电极材料的结合来决定。在电极的结构、化学与形状上的细微变化，都可能显著影响锂离子如何与其强烈键合的程度。

透过实验与计算，Livermore国家实验室的研究员发现，在锂离子电池中，经过氢元素处理的石墨烯奈米泡沫电极显示出更高的容量以及更快的传输能力。

“这些发现提供了质化分析观点，有助于设计出基于石墨烯材料的高功率电极，”LLNL材料科学家Morris Wang表示。他同时也是这项发表于《自然科学报告》(Nature Scientific Reports)期刊的研究作者之一。

石墨烯材料在能量储存元件的商业应用，包括锂离子电池与超级电容器，严重影响其以较低成本大量生产这种材料的能力。而常用的化学合成方法最后会留下大量的氢原子，它对于石墨烯的电化学性能带来的效应也难以确定。

Livermore实验室的研究人员进行的实验与多尺寸的计算发现，利用氢元素刻意对于富含晶界缺陷的石墨烯进行底温处理，实际上可以提高速率容量。氢元素与石墨烯中的缺陷相互作用后开启了较小的孔隙，能够促进锂离子更易于渗透，从而提升传输速率。透过增加边缘(氢元素最可能附着之处)附着的锂离子，可提供更多的可循环容量。

“电极的性能提升是一项重要的突破，能够开启更多现实世界的应用，”Livermore实验室材料科学部门的博士后研究人员暨该研究论文的主要作者Jianchao Ye表示。

“我们发现在经过氢元素处理后，石墨烯奈米泡沫电极有了显着的进步。藉由结合这项实验结合与详细的模拟，我们就能追踪缺陷与氢离解之间的微妙互动与进展。针对石墨烯化学与形态进行一些小小改变所带来的成果，最后可能在性能方面带来令人惊讶的巨大影响，”LLNL研究人员同时也是这项研究的另一名作者Brandon Wood表示。

不过文章作者也指出，他们的实验并未回答一些关键问题，比如如何优化缺陷的密度、以及如何找到氢与石墨烯材料的最佳结合点，以便明确地让锂离子电池取得更高的能量密度。

根据这项研究结果显示，这种可控制的氢元素处理过程也可用于其他基于石墨烯的阳极材料中，实现最佳化锂离子传输以及可循环储存应用。

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