改進(jìn)電池的電極是一方面，另一方面是應(yīng)用石墨烯巨大的比表面積。電池對(duì)比表面積非常敏感，比表面積越大，則化學(xué)反應(yīng)速度和材料利用率就越高。表1給出了實(shí)驗(yàn)室制備的石墨烯與石墨性質(zhì)的對(duì)比，在充放電電流為10mA時(shí)，天然石墨的比表面積一般都小于10m2/g，即使按20μF/cm2計(jì)算，也不超過2.0F/g。Gomibuchi等用球磨法對(duì)天然石墨進(jìn)行加工，采用不同的保護(hù)氣氛和磨球得到了具有不同比表面積的球磨石墨樣品，然后用有機(jī)電解Et4NBF4測(cè)試了樣品的比容量。當(dāng)比表面積分別為38、320m2/g時(shí)，比容量分別為0.3、7.6F/g。石墨烯的比表面積最大，為358m2/g，比容量為138.6F/g，石墨烯電極表現(xiàn)出良好的雙電層電容器性能。這都預(yù)示著單層的石墨烯結(jié)構(gòu)在電極材料領(lǐng)域具有很好的發(fā)展前途。
石墨烯空氣電極的開發(fā)
日本產(chǎn)業(yè)綜合研究所以推動(dòng)并實(shí)現(xiàn)下一代鋰電池的實(shí)用化為目標(biāo)，通過采用電極材料納米級(jí)結(jié)構(gòu)期望實(shí)現(xiàn)輸出功率的大幅度提高，采用混合電解液，希望得到電動(dòng)車用高比能量的鋰空氣電池的研究開發(fā)一直在持續(xù)著。但是，目前為止產(chǎn)業(yè)綜合研究所開發(fā)出的混合電解液的鋰空氣電池一直使用固定了催化劑的空氣電極，這種空氣電極是以高溫?zé)Y(jié)制作出來的貴重金屬或貴重金屬氧化物等的超微顆粒催化劑為基礎(chǔ)，由具有高比表面積的碳材料用粘結(jié)劑粘結(jié)的混合催化劑層及疏水處理過的空氣擴(kuò)散層組成，其制作工藝非常復(fù)雜，成本很高。
此次研究小組發(fā)現(xiàn)了石墨烯具有將空氣中的氧還原的催化效果，以此特征為出發(fā)點(diǎn)，以石墨烯作為空氣電極，金屬鋰為負(fù)極，使用混合電解液（有機(jī)電解液/固體電解質(zhì)/水溶性電解液）進(jìn)行組合，開發(fā)出具有金屬鋰/有機(jī)電解液/固體電解質(zhì)/水溶性電解液/石墨烯空氣電極結(jié)構(gòu)的鋰空氣電池，如圖2（a）所示。石墨烯結(jié)構(gòu)的氧還原反應(yīng)為：
O2+2H2O+4e－→4OH－
其示意如圖2（b）所示。
石墨烯空氣極的鋰空氣電池在0.5mA/cm2的電流密度下循環(huán)充放電特征曲線如圖2（c）所示。
