圖片說明：分別在900℃（左圖）和500℃（右圖）時制備得到的氧化石墨烯材料。殘余氧（如白球所示）存儲鈉離子（如綠球所示）使層間距增加。在900℃制備得到的材料層間距足以儲存鋰離子（如紅球所示）。圖片來源：堪薩斯州立大學
美國堪薩斯州立大學（Kansas State University）的工程研究小組發現，氧化石墨烯的一些重要特性可以提高鈉離子和鋰離子柔性電池的性能。
來自印度的機械和原子能工程領域助理教授Gurpreet Singh和機械工程專業的博士研究生Lamuel David，最近在Journal of Physical Chemistry上發表了一篇名為Reduced grapheme oxide paper electrode: Opposing effect of thermal annealing on Li and Na cyclability的文章。
氧化石墨烯是一種絕緣且有缺陷的石墨烯，加熱後可變成導體或半導體。Singh和他的研究團隊將氧化石墨烯片作為鈉離子和鋰離子電池的柔性紙電極，對其進行了研究。
研究人員發現紙電極的鈉存儲容量取決於兩層之間的距離，該距離可通過在氬氣或氨氣中加熱來調節。比如，在高溫下產生的還原型氧化石墨烯片（簡稱為rGO），其鈉存儲容量基本為零，而在500攝氏度下得到的還原型氧化石墨烯片的鈉存儲容量最大。
Singh說：「這個實驗結果很重要，因為石墨作為氧化石墨烯的主要成分，其鈉存儲容量常常都被忽略，一直都被排除在鈉電池的可用電極之外。石墨是現在鋰電子電池的一種常用材料，因為其層間距正好有助於小尺寸鋰離子的擴散。」
研究人員首次通過實驗表明，一種完全由氧化石墨烯片組成的柔性紙電極可對鈉離子進行充電和放電，充放電循環次數超過1000次。可溶於碳酸亞乙酯（ethylene carbonate）的高氯酸鈉鹽（Sodium perchlorate salt）可作為電池中的電解質。
Singh說：「大多數鈉電池中鋰電極材料充放電甚至不超過幾十次，因為鈉離子要比鋰離子大很多，巨大的體積變化會對寄主材料（host material）造成損壞。這一設計的獨特之處是石墨層之間的距離足夠大，可允許鈉離子的快速插入和抽出，同時由於氧原子和氫原子的存在可避免石墨烯片堆積。」
Singh和他的研究團隊同時還研究了由還原性氧化石墨烯片組成的電極的力學性能。研究人員測量了撕裂電極所需的張力，並通過錄像表明了褶皺的氧化石墨烯片在撕裂前可承受足夠大的張力。
Singh說：「這些關於破壞機理的測量和研究對設計長壽命電池非常重要，因為我們需要可以成千上萬次不斷拉伸或收縮且不會被破壞的電極，尤其對於大的非鋰離子電池非常重要。在這些天裡，我們幾乎都使用褶皺的石墨烯作為導電劑或彈性支撐材料。」
在2014年早些時候，Singh和他的團隊演示了對僅有幾層厚的二硫化鉬（molybdenum disulfide）片的大規模合成。研究還表明二硫化鉬和石墨烯復合紙電極可能成為鈉離子電池的高容量電極。在此項研究中，研究人員使用石墨烯作為二硫化鉬片中的電子導體，並觀測到大部分石墨烯對鈉不活躍。
他們最新的研究表明，與鈉不同，rGO的鋰存儲量隨著rGO的合成溫度升高而不斷增加，最後在合成溫度900℃時達到最大值。
Singh說：「現在我們知道石墨烯或者還原型氧化石墨烯的鈉存儲量取決於它的加工溫度。之前我們實驗中的rGO樣品都是在900℃左右制備得到的。」
Singh還說道，此項針對鈉離子和非鋰離子電池的研究非常重要，原因有很多。隨著人們的興趣從汽車向固定型儲能系統以及大型汽車轉移，需要成本更低、更安全、更環保的固定電池組。由於鈉的儲量較大，極有可能取代鋰離子電池。
通過在納米技術方面的研究，Singh和他的團隊已發現並能設計出可逆存儲鈉離子的材料，並不對鈉離子造成任何損壞。他們的研究表明：氧化石墨烯可以循壞充放鈉離子，且循環次數可超過1000次。
Singh和他的團隊還將繼續研究探索新型納米材料，並研究以更低成本大規模生產此材料的方法。
Singh說：「首次充放循環能量損失、電壓滯後以及存儲量下降在二維層狀晶體（諸如過渡金屬硫屬化合物和石墨烯等）制備得到的金屬離子電池陽極中非常常見，我們希望通過基礎研究來找到引起這些問題的原因。」
研究人員同時希望探索得到其他可作為電池電極的納米材料，比如氮化硼片和基於硅/氮的陶瓷等。
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