这是我们关于石墨烯产业系列文章的第二篇，讨论石墨烯及氧化石墨烯在锂硫电池中的应用进展。

在IDTechEx公司，我们邀请了一批石墨烯产业领先者发表意见，反映其产品、最新研究、市场观察、以及商业经验。我们将在接下来的几周时间内陆续发表这些文章。

本文作者是西班牙石墨烯公司Graphenea的CEO Jesus de La Fuente先生。de La Fuente先生探讨了石墨烯及氧化石墨烯应用于锂硫电池的进展。

想要更多了解该行业，请参阅报告——石墨烯及2D材料：市场、技术、以及机遇（2015-2025）。

移动通讯设备、电动汽车以及其他脱离基座的能源需求机器的快速发展推动了目前电池技术的发展。锂离子电池（LIBs）具有优异的循环稳定性以及良好的充放电速率，已成本当今的主流技术。然而，LIBs的能量密度已达瓶颈，成为移动能源消费广泛应用的限制因素。能量密度转换成充电速率，这受到消费者的高度追捧。

LIBs的潜在替代品是研究的热门领域，能量密度和成本是主要的评估参数。如下图所示，蓝色部分表示当前领先的LIBs技术具有等同于160 km（100英里）的电动汽车（EVs）的能量密度。再次充电之前，LIBs的理论最大值相当于200 km（130英里）的EVs。为了提高能量密度，LIBs可能的继任者有锌空气电池、锂硫电池、锂空气电池。

中期，锂硫电池（Li-S）将是最有可能的LIBs继任者。目前，Li-S电池循环稳定性差、速率低。在这方面，氧化石墨烯（GO）在硫正极已表现出很大的前景，大幅提高锂硫电池性能。在此，我们回顾一下采用GO的锂硫电池技术，以及其优势。

锂硫电池的工作原理（Principle of operation of Li-S batteries）

锂硫电池通常包含由电解液分割开的锂负极和碳-硫正极。放电时，负极的锂离子穿过电解液到正极，与硫形成多硫化合物。锂-硫反应过程中释放能量。充电时，发生逆反应，锂离子在负极，而硫在正极。

第一代锂硫电池的问题在于多硫化合物从正极上脱离，并溶解于电解液中，从而导致活性硫的不可逆损耗，最终降低循环稳定性。商用电池必须至少具有1000次以上的稳定循环。到达负极的多硫化合物与锂发生反应，形成无活性的Li2S，覆盖在负极上，从而抑制了负极的性能。针对这些挑战，石墨烯基正极是一个非常好的解决途径，已有结果表明性能得到巨大提升。

石墨烯基正极（Graphene-based cathodes）

石墨烯作为锂硫电池正极材料的方法有很多种。

最简单的是，用元素硫包覆导电石墨烯电极，例如机械搅拌。采用化学方法，原料为氧化石墨烯，可获得更稳定的电极。这种正极的锂硫电池性能更佳，因为石墨烯电极比传统的石墨电极导电性更好，但是正极表面的硫仍然暴露于电解液中，同样会溶解进去。

第二种方法是将硫与热膨胀石墨烯混合，注入到石墨烯电极中。然后，硫就位于石墨烯基体中，通过涂层还原氧化石墨烯（rGO）提高稳定性。rGO涂层的基体增大放电容量保留至50%。

另一种方法是用石墨烯涂层硫纳米颗粒。图X为石墨烯涂层硫纳米颗粒的扫描电子显微镜图像。反应过后，石墨烯防止多硫化合物从正极脱附并溶入电解液。这种方法也是从GO开始，60次循环之后提高锂硫电池循环稳定性至86%，比其他方法都要更好。

最后，在石墨烯水凝胶中嵌入硫颗粒、直接合成石墨烯/硫电极也都表现出较现有锂硫电池技术更优的性能。

结论（Conclusions）

石墨烯，特别是氧化石墨烯，已被证明是解决目前锂硫电池最困难挑战的有效材料。Graphenea公司不断扩大其GO生产线，目前的规模从250 mL至2.5 L。该公司的产品还包括粉末还原氧化石墨烯和真空过滤的氧化石墨烯薄膜。本月初，Graphenea公司获得250万欧元的奖励，作为工厂建设，这将扩大200倍的生产能力。该资金由欧洲委员会批准，作为Horizon 2020 program "SME Instrument"的一部分。新的加工厂将于2017年底完工，加速Graphenea公司的发展，并加强其在石墨烯材料全球领导者的地位。

新材料在线编译整理——翻译：菠菜   校正：摩天轮