石墨烯變?yōu)樾铍姵仉姌O，用光驅(qū)實(shí)現(xiàn)“量產(chǎn)”

作為碳材料的一種，石墨烯很有希望成為蓄電池的電極材料。美國加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）和日本物質(zhì)材料研究機(jī)構(gòu)（NIMS）各自都開發(fā)出了使用石墨烯作為電極、能量密度與充電電池相當(dāng)?shù)碾娙萜?。兩者在制造石墨烯時(shí)都開發(fā)了獨(dú)自的方法，有利用制造消費(fèi)類產(chǎn)品的技術(shù)的，也有在石墨烯中加入碳納米管（CNT）的。

在DVD上成膜的氧化石墨（黃金色）上，用DVD激光形成了圖案。激光照射到的部分變成了多層石墨烯，顏色也變成黑色。

利用市售的光盤驅(qū)動(dòng)器

UCLA表示，20美元左右的低價(jià)CD/DVD光驅(qū)是制作石墨烯電極的出色“制造裝置”（圖1）。具體的制造方法如下：首先，將石墨粉末氧化，變成“氧化石墨（GO）”粉，然后將其混入水溶液中，均勻涂在PET（polyethyleneterephthalate）等薄膜基板上。接下來，將其烘干后貼在CD/DVD光盤上，并放入光驅(qū)中，用刻錄CD時(shí)使用的激光進(jìn)行照射。

圖1：光驅(qū)變?yōu)槭┑?ldquo;制造裝置”

UCLA開發(fā)的石墨烯電極材料的制造方法，以及采用該方法制造的柔性充電電池。在CD或DVD上貼上氧化石墨（GO）薄膜，將其放入CD/DVD的光驅(qū)，用紅外線激光照射后，GO可變成多層石墨烯（LSG）。

GO被激光照射后，會(huì)被還原并剝離，變成多層石墨烯片重疊的“LSG（laser scribed graphene）”狀態(tài)，顏色也會(huì)由黃金色變成黑色。最后將附有石墨烯的薄膜基板從光盤上剝離下來，便可將其用于電容器或充電電池。UCLA用這種方法試制出了面積為1cm2，厚度僅為68μ～82μm的柔性電化學(xué)電容器（EC）。

UCLA嘗試了多種材料作為這種薄型EC的電解液，包括（1）磷酸、（2）由磷酸與聚乙烯醇（PVA）樹脂混合而成的凝膠狀物質(zhì)、（3）離子液體。據(jù)UCLA介紹，這些電解液均在保持電容器較高輸出功率密度的情況下，實(shí)現(xiàn)了與鋰離子充電電池相當(dāng)?shù)哪芰棵芏取?/p>

尤其是電解液采用離子液體的EC，單位體積的最大能量密度約為1.36kWh/L，單位體積的最大輸出功率密度約為20kW/L，這樣的性能分別與薄型鋰離子充電電池的能量密度以及鋁電解電容器的輸出功率密度相當(dāng)。

兼顧高質(zhì)量和低成本

此前，研究人員為了把碳材料用作充電電池的電極做過很多嘗試，CNT等被視為前景廣闊的材料。但是，CNT的價(jià)格較高，實(shí)用化步伐較慢。而電極用石墨烯一般能以低于CNT的成本制造，而且，石墨烯還有望具備高于CNT的比表面積及導(dǎo)電率，因此作為超過CNT的電極材料而備受關(guān)注。

但是，此前石墨烯電極存在輸出功率密度低的問題。主要原因是，GO的還原與剝離不夠充分，采用濕法工藝還原的石墨烯片凝聚在一起，導(dǎo)致電極的導(dǎo)電率降低。而此次UCLA采用的方法是先涂上GO溶液，然后再采用干法工藝進(jìn)行還原、剝離?？梢詫?shí)現(xiàn)充分的還原和剝離，同時(shí)還解決了凝聚問題。另外，還能以更低的成本量產(chǎn)。理由是激光照射法與制造大面積多晶硅的“激光退火法”十分接近。

通過添加CNT實(shí)現(xiàn)高性能

如果只是將UCLA制造的EC作為單純的電容器或充電電池使用，現(xiàn)有低價(jià)產(chǎn)品也能實(shí)現(xiàn)同等水平的性能。日本物質(zhì)材料研究機(jī)構(gòu)（NIMS）通過在石墨烯中添加CNT來制作電極，使輸出功率密度與能量密度達(dá)到了前所未有的高水平（圖2）。

圖2：利用石墨烯和CNT接近開發(fā)目標(biāo)

NIMS開發(fā)的石墨烯電極材料的構(gòu)造及性能（a、b）。在石墨烯中添加CNT之后，CNT會(huì)通過自組織方式自然地進(jìn)入石墨烯中。這制造了適當(dāng)?shù)拈g隙，使電流及離子的密度增加。

NIMS采用該電極與水性電解液制造EC時(shí)發(fā)現(xiàn)，電極單位重量的輸出功率密度為58.5kW/kg，單位重量的能量密度為62.8Wh/kg，“分別是采用活性炭電極時(shí)的10倍”（NIMS）。采用離子液體作為電解液時(shí)，能量密度進(jìn)一步提高到了155.6Wh/kg。