美国劳伦斯利福摩尔国家实验室(LLNL)的研究人员发现，只要在锂离子电池的电极中加入氢元素，就能大幅提高电池容量，使其延长运作时间以及加速传输作业。
锂离子电池是一种可再充电的电池类型，在放电过程中将锂离子从电池负极移至正极，而在充电时再将正极的锂离子移回负极。
锂离子电池是一种可再充电的电池类型，在放电过程中将锂离子从电池负极移至正极，而在充电时再将正极的锂离子移回负极。
锂离子电池有几项关键特性——容量、电压以及能量密度，这些特性的表现最终都由锂离子与电极材料的结合来决定。在电极的结构、化学与形状上的细微变化，都可能显着影响锂离子如何与其强烈键合的程度。
透过实验与计算，Livermore国家实验室的研究保员发现，在锂离子电池中，经过氢元素处理的石墨烯奈米泡沫电极显示出更高的容量以及更快的传输能力。
“这些发现提供了质化分析观点，有助于设计出基于石墨烯材料的高功率电极，”LLNL材料科学家MorrisWang表示。他同时也是这项发表于《自然科学报告》(NatureScientificReports)期刊的研究作者之一。
石墨烯材料在能量储存元件的商业应用，包括锂离子电池与超级电容器，严重影响其以较低成本大量生产这种材料的能力。而常用的化学合成方法最后会留下大量的氢原子，它对于石墨烯的电化学性能带来的效应也难以确定。
Livermore实验室的研究人员进行的实验与多尺寸的计算发现，利用氢元素刻意对于富含晶界缺陷的石墨烯进行底温处理，实际上可以提高速率容量。氢元素与石墨烯中的缺陷相互作用后开启了较小的孔隙，能够促进锂离子更易于渗透，从而提升传输速率。透过增加边缘(氢元素最可能附着之处)附着的锂离子，可提供更多的可循环容量。
“电极的性能提升是一项重要的突破，能够开启更多现实世界的应用，”Livermore实验室材料科学部门的博士后研究人员暨该研究论文的主要作者JianchaoYe表示。
为了在石墨烯的锂离子储存性能中研究氢与氢化缺陷的作用，研究人员施加结合氢元素暴露的不同热处理条件，着眼于其3D石墨烯奈米泡沫(GNF)的电化学性能，这主要是由富含缺陷的石墨烯组成的。研究人员采用3D石墨烯奈米泡沫的原因在于它具有多种潜在应用，包括氢储存、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等。
石墨烯3D泡沫不粘黏的特性可使其不至于因为添加剂而变得更复杂，因而可作为机理研究的理想选择。
“我们发现在经过氢元素处理后，石墨烯奈米泡沫电极有了显着的进步。藉由结合这项实验结合与详细的模拟，我们就能追踪缺陷与氢离解之间的微妙互动与进展。针对石墨烯化学与形态进行一些小小改变所带来的成果，最后可能在性能方面带来令人惊讶的巨大影响，”LLNL研究人员同时也是这项研究的另一名作者BrandonWood表示。
根据这项研究结果显示，这种可控制的氢元素处理过程也可用于其他基于石墨烯的阳极材料中，实现最佳化锂离子传输以及可循环储存应用。
