美國(guó)能源部勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LawrenceBerkeleyNationalLaboratory)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?jī)?chǔ)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(duì)于電動(dòng)汽車(chē)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(YuegangZhang)說(shuō)，他是伯克利實(shí)驗(yàn)室分子鑄造部(MolecularFoundry)研究員，在無(wú)機(jī)納米結(jié)構(gòu)所(InorganicNanostructuresFacility)，領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究。“這里，我們已經(jīng)展示的，是合理設(shè)計(jì)的納米級(jí)結(jié)構(gòu)，不需要添加劑或粘結(jié)劑就可以運(yùn)行，可提高電池性能。”

石墨烯是一種單原子厚的“雞線(xiàn)”晶格狀碳原子，具有非凡的電子和機(jī)械性能，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)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(qiáng)調(diào)了電子設(shè)備的應(yīng)用。

在這項(xiàng)研究中，這個(gè)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?jiǎng)?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(lái)，另一層石墨烯片被轉(zhuǎn)移錫薄膜上。重復(fù)此過(guò)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(huì)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(duì)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(LiwenJi)說(shuō)，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(bào)道了這一研究，發(fā)布在雜志《能源和環(huán)境科學(xué)》(EnergyandEnvironmentalScience)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(guò)程，因?yàn)殄a的體積變化提高了電極的性能。此外，這個(gè)可調(diào)節(jié)的行為，意味著電池可迅速反復(fù)充電，不會(huì)退化，這對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)充電電池而言是關(guān)鍵的。

“我們?cè)诓死麑?shí)驗(yàn)室有一個(gè)很大的電池計(jì)劃，我們能夠制造高度可循環(huán)的電池單元.。通過(guò)我們與碳循環(huán)2.0(CarbonCycle2.0)計(jì)劃的互動(dòng)，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(shuō)，他是伯克利實(shí)驗(yàn)室環(huán)境與能源技術(shù)部高級(jí)能源技術(shù)部門(mén)的項(xiàng)目經(jīng)理。“作為回報(bào)，我們有一個(gè)窗口，可以讓開(kāi)發(fā)下一代材料的科學(xué)家們談?wù)勥@些要求。”