科学家制备出的无缺陷石墨烯

晓说

尽管实际应用中的石墨烯通常含有缺陷，但是物理学家已经证明，石墨烯在锂离子电池中非常有用。虽然目前大规模生产纯的、结构均匀且尺寸可调的可应用电池仍然很难，但是在一项新的研究中，科学家已经开发出一种方法来生产无缺陷的石墨烯（df-G），并且生产的石墨烯没有任何具有缺陷结构的痕迹。通过在带正电荷的Co3O4周围包裹一大层带负电荷的石墨烯，可以为高性能锂离子电池制备出一个非常有效率的阳极。

该项研究是由来自韩国先进科技学院的Junk-Ki Park和Hee-Tak Kim教授，以及同样位于南韩大田市的韩国韩巴大学Yong-Min Lee教授所组成的团队开展的，目前，他们已将这种新的制备方法发表在最近一期的纳米快报。

正如研究人员解释的那样，当前制备高质量石墨烯的方法分为两类：机械法与化学法。虽然机械分裂法可以制备高质量的石墨烯，但是其较低的生产效率使得机械法难以在大规模生产得到运用。相反，化学法可以大规模生产，但是产品质量却比较差。

新方法不同于上述两种方法，其涉及到几个重要步骤。首先，研究人员将石墨烯粉填充在派热克斯玻璃管中，然后将这种通管置于一个稍微大一点的管中，最后，他们添加钾于两管之间底部的间隙中，密封管后对其加热。加热引起融化的钾在石墨粉间的空隙中流动，以致钾分子在石墨烯层间形成夹层。然后将得到的钾-石墨烯复合物置于吡啶溶液中，这种溶液使得形成的夹层间距增加，形成的石墨烯纳米片随后可以被冷却，然后这样一层一层的被剥落下来。

研究人员进行了很多组实验，比如改变温度与溶剂类型，这些对控制石墨烯的质量与尺寸都至关重要。研究发现：通过控制剥离温度，石墨烯的尺寸可以在0.25-14.0um2之间变化。

研究人员已经证明：在带正电荷的Co3O4块周围包裹大尺寸带负电荷的石墨片，制备的阳极具有几个显著的特点。最重要特点是其在经过很多次的循环后仍然具有高的容量（即使200次循环后，在500mA/g电流密度下，具有1050mAh/g的比容量，在1000mA/g电流密度下，具有900mAh/g的比容量）。就研究人员所知道的，这种可逆容量是所报道的所有Co3O4电极中最高的。

研究人员解释到，具有完美晶体结构的大尺寸石墨烯之所以能够改善阳极的性能，这是因为当单个石墨烯片被包裹在一束Co3O4颗粒上时，Co3O4颗粒将会聚集在一起，否则将会从阳极上产生电分离。正是由于这种保护效应，阳极的容量即使在循环200次后仍然保全的很好，相反，若是使用有缺陷的石墨烯层，阳极容量将会随着循环进行急速降低。而大尺寸石墨烯在性能方面之所以起到关键性的作用，是因为大尺寸石墨烯通过改善阳极材料的完整性，为纳米阳极材料提供了一个高循环稳定性的环境。

由于石墨烯的这些优势，研究人员希望其可以为电池，燃料电池和电容器等许多电化学系统带来复合电极的重大进展。