环保石墨烯生物墨水用于可充电电池和储能装置

近日消息，欧盟石墨烯旗舰合作伙伴爱尔兰都柏林三一学院、CIC EnergiGUNE和西班牙INCAR-CSIC的研究人员公布了一项新的研究成果：由无毒且环保的石墨烯基材料制成的可充电电池和储能装置。

随着当前金属离子电池在循环寿命、容量和功率方面达到其理论极限，研究人员将重点放在金属空气替代品上，例如钠空气（Na-O2）电池。这些设备配备了钠阳极和捕获氧的阴极，具有有趣而独特的可充电能力：当电池耗尽其存储的能量时会生成NaO2，然后在电池充电时将其循环回形成金属钠和氧。

在这项研究中，阴极是使用基于多孔石墨烯的气凝胶制成的。Graphene Flagship团队通过在DNA分子衍生的分子（例如单磷酸腺苷）的帮助下对石墨箔进行电化学剥离来制造石墨薄片。这些生物分子插入到石墨结构中，导致箔膨胀。然后将箔刮掉并进一步处理，从而形成厚度约1-2 nm、宽度约400-600 nm的石墨烯薄片。

石墨烯旗舰研究人员还强调了这些生物分子的次要功能：它们被吸附在石墨烯的表面上，使薄片可以分散在水中。出于多种原因，最终的导电油墨比含有机溶剂的导电油墨更可取，尤其是它对环境的影响很小。石墨烯旗舰公司的研究人员随后使用了一种冷冻干燥技术，将墨水转变为适合电池正极的气凝胶。这些新电池可以以94％的效率再充电50次，这是非常有竞争力的结果，胜过其他基于石墨烯的阴极。

石墨烯旗舰合作伙伴CIC EnergiGUNE的Nagore Ortiz-Vitoriano解释说：“我们认为，这些生物分子中的磷酸盐是成功的主要原因。这些化学基团可使NaO2在充电阶段更快地回收。” 

不需要任何添加剂，这种石墨烯墨水也可用于印刷导电图案，作为存储设备（如微型超级电容器）的一部分。这些器件表现出了与当前基于石墨烯的器件相当的出色性能，并且经过5,000次充电/放电循环后仍保留了初始性能的75％左右。

石墨烯旗舰合作伙伴CSIC的Jose Maria Munuera说：“我们将继续改进设备的结构，并继续改善其容量和循环寿命，并减少运行过程中的能量损失。”

“通过证明基于石墨烯的水性生物墨水可改善电池和超级电容器的性能，这项工作为推进该领域提供了一种新颖的可持续材料解决方案，”石墨烯旗舰公司储能工作方案负责人Vittorio Pellegrini说道。 石墨烯旗舰公司的科学技术官兼管理小组主席Andrea C. Ferrari补充说：“实现可持续发展目标是石墨烯旗舰科学和创新的核心。能源应用是石墨烯有希望的影响领域之一 该作品展示了一种用于可再充电电池的石墨烯生产的可持续方法，对环境具有双重优势。”

本文封面图来源于图虫创意