劳伦斯利弗莫尔国家实验室的科学家们发现，当锂离子电池的电极经过氢处理时，其工作时间更长、速度更快。锂离子电池(LIBs)是一种可充电电池类型，锂离子在放电时从负极移动到正极，在充电时又移动回来。
日益增长的储能需求强调了对高性能电池的迫切需求。锂离子电池性能的几个关键特性——容量、电压和能量密度——最终是由锂离子和电极材料之间的结合决定的。电极的结构、化学和形状的细微变化可以显著影响锂离子与其结合的强度。
通过实验和计算，Livermore团队发现氢处理石墨烯纳米泡沫电极在lib中表现出更高的容量和更快的传输速度。
“这些发现为设计高功率电极的石墨烯基材料提供了定性的见解，”他说莫里斯王他是LLNL的材料科学家，也是一项研究的合著者纸(外部链接)出现在11月5日的自然科学报告。
锂离子电池在电动汽车和航空航天领域的应用越来越广泛。例如，锂离子电池正在成为铅酸电池的常见替代品，铅酸电池在历史上一直用于高尔夫球车和多功能车。取代沉重的铅板和酸性电解质的趋势是使用轻量级的锂离子电池组，可以提供与铅酸电池相同的电压，而不需要修改车辆的驱动系统。
石墨烯材料用于储能设备(包括锂离子电池和超级电容器)的商业应用，关键在于能否以低成本大量生产这些材料。然而，常用的化学合成方法会留下大量的氢原子，其对石墨烯衍生物电化学性能的影响难以确定。
然而利弗莫尔的科学家们做到了。他们的实验和多尺度计算表明，有意用氢对缺陷丰富的石墨烯进行低温处理实际上可以提高速率容量。氢与石墨烯中的缺陷相互作用，打开小缝隙，方便锂更容易穿透，从而改善了传输。额外的可逆容量是通过增强锂结合附近的边缘提供的，在那里氢最有可能结合。
“我们在电极上看到的性能改进是一项具有现实应用价值的突破，”该实验室材料科学部的博士后科学家叶建超(音译)说，他也是该论文的主要作者。
为了研究氢和氢化缺陷对石墨烯锂存储能力的影响，研究小组应用了各种结合氢暴露的热处理条件，并研究了主要由缺陷石墨烯组成的三维石墨烯纳米泡沫(GNF)电极的电化学性能。该团队使用了3d石墨烯纳米泡沫，因为它们有许多潜在的应用，包括氢气储存、催化、过滤、绝缘、能量吸收、电容脱盐、超级电容器和锂离子电池。
石墨烯3d泡沫的无粘结剂特性使其成为机械研究的理想选择，而没有添加剂引起的并发症。
“我们发现，经过氢处理后，石墨烯纳米泡沫电极的速率容量显著提高。通过将实验结果与详细的模拟相结合，我们能够追踪缺陷与解离氢之间微妙相互作用的改进。这导致了石墨烯化学和形态的一些小变化，结果对性能产生了惊人的巨大影响，”LLNL科学家说布兰登木他是这篇论文的另一位合著者。
研究表明，可控氢处理可以作为优化锂在其他石墨烯基负极材料中的传输和可逆存储的一种策略。
利弗摩尔大学的其他研究人员包括共同第一作者Mitchell Ong、Tae Wook Heo、Patrick Campbell、Marcus Worsley、yuyue Liu、Swanee Shin、Supakit Charnvanichborikarn、Manyalibo Matthews、Michael Bagge-Hansen和Jonathan Lee。
这项工作是由LLNL实验室指导研究和发展计划资助的。
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