石墨烯是一種類似于石墨、鉆石和煤的碳同素異形體。它具有二維 (2D) 結(jié)構(gòu)和六邊形圖案，這是由于其幾何形狀所致。這使得它具有結(jié)構(gòu)靈活性和其他一些理想的電氣和機械特性。

石墨烯電池的制造

電池中的石墨烯主要用作柔性電極。目前生產(chǎn)石墨烯的主要方法有四種：氧化石墨剝離法、改良的Hummers法、外延生長法和化學氣相沉積法。

悍馬法和剝離氧化石墨 

Hummers 法通常用于生產(chǎn)石墨烯。在此過程中，將 KMnO 4和 NaNO 3溶解在濃 H 2 SO 4中以進行有效氧化，從而使石墨烯層從氧化石墨上刮下。根據(jù)應(yīng)用要求，有多種方法可以修改 Hummers 法。

首次生產(chǎn)時，石墨烯片是通過使用透明膠帶的機械剝離制備的。在這種方法的更經(jīng)濟的改進中，使用三輥研磨系統(tǒng)連續(xù)剝離石墨。然后在輥中心和進料之間放置粘合劑，石墨分散在粘合劑上。剝離后，在 500°C 的馬弗爐中燒掉樹脂層，生成純石墨烯。

化學氣相沉積 

化學氣相沉積 (CVD) 包括將碳加熱成蒸汽和/或降低大氣壓力以涂覆基底。金屬用作基底，在石墨烯生長中充當催化劑。該過程包括三個關(guān)鍵階段：(i) 碳在金屬膜中的擴散，(ii) 冷卻薄金屬膜以剝離其中的碳（因為溶解度降低），以及 (iii) 石墨烯層的表面生成。另一種方法稱為等離子體增強化學氣相沉積 (PECVD)，與 CVD 相比具有優(yōu)勢，例如在納米結(jié)構(gòu)或塑料基底上直接生長。

外延生長 

大規(guī)模生產(chǎn)石墨烯薄膜可以使用外延生長作為微加工方法。外延使用 SiC 作為絕緣體襯底，因為它含有碳且具有柔韌性，因此在去除或熔化硅后可以保留碳（石墨烯）。然而，在較大面積上實現(xiàn)均勻厚度仍然很困難，此外，制成的石墨烯層的電子特性會受到襯底鍵合的影響。這些缺點可以通過使用不同的襯底來消除。

石墨烯與商用電池的結(jié)構(gòu)差異

傳統(tǒng)電池通常采用鋰和鋅作為電極材料。然而，由于電荷密度較高，它們的壽命較短。在新型電池中，陽極通常使用鋰鈷氧化物 (LiCoO 2 ) 或磷酸鐵鋰 (LiFePO 4 ) 制成。

另一方面，石墨烯是一種具有六邊形結(jié)構(gòu)、蜂窩狀晶格排列的二維碳原子片。這種結(jié)構(gòu)是碳原子的 sp2 雜化產(chǎn)生的三角平面幾何結(jié)構(gòu)的結(jié)果。其中，單個碳原子與其他三個碳原子相連。這種二維結(jié)構(gòu)及其六邊形圖案和幾何形狀為石墨烯提供了結(jié)構(gòu)靈活性。

石墨烯電池比現(xiàn)有的鋰離子電池 (LiB) 更輕、更薄。此外，使用石墨烯可實現(xiàn)更高的充電容量。鋰離子可以存儲高達 180 Wh/kg 的能量，而石墨烯可以存儲高達 1000 Wh/kg 的能量。

與傳統(tǒng)鋰離子電池不同，石墨烯電池耐用、輕便，適合儲存高容量能量，同時充電時間更短。鋰離子電池（和其他可充電電池類型）也可以通過將石墨烯加入電池陽極來改進，以獲得更高的性能和形態(tài)優(yōu)化。

石墨烯電池的未來前景

隨著鋰離子電池接近其最大理論效率，石墨烯基電池可能成為未來便攜式電子電池行業(yè)的趨勢。隨著石墨烯電池的實施，阻礙多個行業(yè)擴張的鋰離子電池的缺點可能會被消除。此外，石墨烯電池最小的技術(shù)和環(huán)境限制也展現(xiàn)出工業(yè)可持續(xù)性的潛力。

由于充電容量增加且溫度穩(wěn)定，石墨烯電池可使電動汽車進一步實現(xiàn)商業(yè)化。此外，石墨烯電池未來還可能應(yīng)用于生物醫(yī)學植入物或植入式醫(yī)療設(shè)備 (IMD)。在最近的一項研究中，開發(fā)了一種全石墨烯電池，由于陰極和陽極都表現(xiàn)出更快的表面反應(yīng)，同時電導率和多孔形態(tài)增加，因此表現(xiàn)出顯著的高功率密度。

由于這一發(fā)現(xiàn)相對較新，因此正在進行研究以尋找石墨烯的商業(yè)化生產(chǎn)方法。三星已經(jīng)開發(fā)出一種“石墨烯球”電池，相關(guān)生產(chǎn)過程表明該技術(shù)具有商業(yè)應(yīng)用潛力。然而，石墨烯的特性尚未完全了解。目前，研究已經(jīng)證明，石墨烯電池的使用可以為當今的鋰離子電池提供一種環(huán)保且經(jīng)濟可持續(xù)的解決方案。