可充电锂离子电池是移动电话，笔记本电脑和平板电脑，电动汽车以及一系列其他设备的行业标准。虽然锂离子电池具有高能量密度并且可以存储大量能量，但是它们具有低功率密度并且不能快速接受或释放能量。这种低功率密度是为什么手机或笔记本电池充电需要大约一个小时的原因，以及为什么电动汽车发动机不能单独依靠电池而需要超级电容器来实现加速和制动等高功率功能。

由纳米材料专家NikhilKoratkar领导的Rensselaer研究团队试图解决这个问题，并创造出一种能够容纳大量能量但又能快速接受和释放这种能量的新电池。这样的创新可以减轻对电动汽车中锂离子电池和超级电容器的复杂配对的需求，并且导致仅基于高能量，高功率锂离子电池的更简单，性能更好的汽车发动机。Koratkar和他的团队相信他们的新电池是通过有意设计石墨烯的工程缺陷而创建的，是实现这一宏伟目标的关键踏脚石。这种电池还可以显着缩短将便携式电子设备从手机和笔记本电脑充电到医护人员和急救人员使用的医疗设备所需的时间。

“锂离子电池技术非常出色，但由于其有限的功率密度和无法快速接受或释放大量能量而受到严重阻碍。通过在电池架构中使用我们的缺陷工程石墨烯纸，我想我们可以帮助解决这个问题。限制，“Rratselaer的JohnA.Clark和EdwardT.Crossan工程教授Koratkar说。“我们相信这一发现已经成熟，可以实现商业化，并可能对电动汽车和便携式电子应用的新电池和电气系统的开发产生重大影响。”

这项研究的结果发表在本周由ACSNano杂志发表的文章“光热还原石墨烯作为锂离子电池的高功率阳极”。

Koratkar和他的团队开始研究石墨烯作为当今锂离子电池中用作阳极材料的石墨的可能替代品。基本上是我们的铅笔中常见的单层石墨或我们烧烤的木炭，石墨烯是一块原子厚的碳原子，排列成纳米级鸡丝栅栏。在先前的研究中，具有石墨阳极的锂离子电池表现出良好的能量密度但是低功率密度，这意味着它们不能快速充电或放电。这种缓慢的充电和放电是因为锂离子只能从边缘物理地进入或离开电池的石墨阳极，并且在石墨烯的各个层的长度上缓慢地工作。

Koratkar的解决方案是使用已知技术制造大片氧化石墨烯纸。本文是关于一张日常打印纸的厚度，可以制成几乎任何尺寸或形状。然后研究小组将一些氧化石墨烯纸暴露在激光器中，并将其他纸张样品暴露在数码相机的简单闪光下。在这两种情况下，来自激光或闪光灯的热量在整个纸张中造成微小爆炸，因为氧化石墨烯中的氧原子被剧烈地从结构中排出。这种氧气外流的后果是石墨烯片，上面有无数的裂缝，毛孔，空隙和其他瑕疵。逸出的氧气产生的压力也促使石墨烯纸的厚度扩大了五倍，

研究人员迅速了解到这种受损的石墨烯纸作为锂离子电池的阳极表现非常出色。然而，在锂离子缓慢穿过石墨烯片的全长以进行充电或放电之前，离子现在利用裂缝和孔隙作为快捷方式快速进出石墨烯-大大增加了电池的总功率密度。Koratkar的团队展示了他们的实验阳极材料如何比锂离子电池中的传统阳极充电或放电快10倍，而不会导致其能量密度显着下降。尽管在整个结构中无处不在的微小孔隙，裂缝和空隙，石墨烯纸阳极非常坚固，并且即使在超过1,000次充电/放电循环后仍继续成功。

Koratkar表示，制造这些用于锂离子电池的新型石墨烯纸阳极的过程可以轻松扩展，以满足工业需求。石墨烯纸可以制成基本上任何尺寸和形状，并且通过激光或相机闪光灯的光热暴露是复制的简单且廉价的过程。研究人员已为其发现申请专利保护。该研究项目的下一步是将石墨烯阳极材料与高功率阴极材料配对，以构建完整的电池。

与Koratkar一起，该论文的共同作者是伦斯勒研究生RahulMukherjee，AbhayVargheseThomas和AjayKrishnamurthy，他们都是机械，航空航天和核工程系(MANE)。