来自加州理工学院校园和喷气推进实验室的研究人员合作设计了一种用石墨烯涂覆锂离子电池阴极的方法，延长了这些广泛使用的可充电电池的寿命和性能。
这些努力导致了一个有希望的发现，可能会提高锂离子电池的性能，减少对钴的依赖，钴是锂离子电池中经常使用的一种元素，很难可持续地获得。
加州理工学院的高级研究科学家大卫·博伊德在过去的十年里一直致力于开发制造石墨烯的技术，石墨烯是一种单原子厚度的碳层，具有令人难以置信的强度，比硅等材料更容易导电。2015年，博伊德和同事发现，高质量的石墨烯可以在室温下生产。在此之前，石墨烯的生产需要极高的温度，高达1000摄氏度。
在这一突破之后，人们开始寻找石墨烯的新应用。最近，博伊德与喷气推进实验室的技术专家威尔·韦斯特合作，喷气推进实验室是加州理工学院为美国宇航局管理的。韦斯特专攻电化学，特别是改进电池技术的开发。博伊德和韦斯特开始研究石墨烯能否制造出一种改进的锂离子电池。现在他们已经证明了这一点。
加州理工学院的Barbara的Brent Fultz和材料科学与应用物理学教授Stanley R. Rawn, Jr.说：“要证明电池性能的可靠趋势，需要一致的材料、一致的电池组装和在一系列条件下的仔细测试。”“幸运的是，该团队能够如此重复性地完成这项工作，尽管需要一些时间来确定。”
锂离子电池于1991年首次推向市场，彻底改变了我们在日常生活中使用电力的方式。从我们的手机到电动汽车，我们都依赖锂离子电池作为一种相对便宜、节能的能源，最重要的是，它是一种可充电的能源。
尽管取得了成功，但锂离子电池技术仍有改进的空间。例如，博伊德说：“特斯拉的工程师想要一种成本效益高的电池，它可以快速充电，两次充电之间的工作时间更长。这就是所谓的充电率能力。”
韦斯特补充说：“在电池的使用寿命中，充电次数越多，你需要使用的电池就越少。这一点很重要，因为锂离子电池利用有限的资源，安全有效地处理锂离子电池是一项非常具有挑战性的任务。”
锂离子电池的一个重要特征是它们在多次充电和使用后的性能。电池的工作原理是在电池的两端——阴极和阳极——之间产生化学能，并将其转化为电能。由于阴极和阳极中的化学物质随着时间的推移而发挥作用，它们可能无法完全恢复到原来的状态。一个常见的问题是从正极材料中溶解过渡金属，这在高锰含量的正极材料中尤其严重，尽管对于高钴含量的正极材料则不那么严重。
Boyd解释说：“由于在循环过程中发生了不必要的副反应，阴极中的过渡金属逐渐进入阳极，在那里它们被卡住并降低了阳极的性能。”这种过渡金属溶解（TMD）是使用昂贵的含钴阴极而不是廉价的高锰含量阴极的原因。
锂离子电池面临的另一个挑战是，它们需要昂贵、稀缺的金属，而且开采时并不总是负责任的。全球大量的钴供应尤其集中在刚果民主共和国，其中大部分钴是由所谓的手工矿工开采的：包括儿童在内的自由职业者，他们从事危险和高要求的体力劳动，几乎没有报酬。
人们一直在寻找提高电池性能的方法，同时减少或消除钴的使用，并防止TMD。
进入石墨烯。工程师们之前知道，锂离子电池阴极上的碳涂层可以减缓或阻止TMD，但开发一种应用这些涂层的方法被证明是困难的。Boyd解释说：“研究人员试图将石墨烯直接沉积到阴极材料上，但沉积石墨烯通常需要的工艺条件会破坏阴极材料。”“我们研究了一种将石墨烯沉积在阴极颗粒上的新技术，称为干涂层。这个想法是，你有一个由大颗粒组成的“宿主”物质和一个由小颗粒组成的“访客”物质。通过在一定条件下混合它们，系统可以经历一种称为“有序混合”的现象，在这种现象中，客体粒子均匀地包裹在宿主粒子上。
自20世纪70年代以来，干涂层技术一直用于制药行业，通过保护片剂免受水分、光线和空气的影响，延长片剂的使用寿命。
博伊德回忆说：“这是一个好主意，我们也许可以用在石墨烯上！我们可以首先使用我们的室温方法制造石墨烯客体颗粒——石墨烯封装纳米颗粒（GEN），然后将非常少量的石墨烯（重量的1%）干涂在主阴极材料上，这样石墨烯就能有效地覆盖并保护阴极。”
用石墨烯复合材料干涂阴极在实验室中证明是成功的。石墨烯涂层大幅降低了TMD，同时使电池循环寿命翻了一番，并允许电池在比以前更宽的温度范围内工作。这一结果令研究人员感到惊讶。假设只有连续涂层才能抑制TMD，而由颗粒组成的干燥涂层则不能。此外，由于石墨烯是碳的一种形式，它可以广泛使用并且对环境友好。
这种方法对电池工业有额外的好处。“电池工厂非常昂贵。很多钱都投入到了这些游戏中。”“因此，改进的电池技术是可扩展的，并且可以适应现有电池制造的工作流程，这一点非常重要。我们可以选择几乎任何正极材料，加入少量的GEN，在干燥混合器中运行几分钟，它将减少过渡金属的溶解，提高充电速率容量。”
博伊德说：“总的来说，这也是涂层技术的进步。“它为干涂层的使用开辟了很多可能性。”
详细介绍这项研究的论文题为“石墨烯纳米复合干涂层抑制富锰层状氧化物阴极中过渡金属的溶解”，发表在2024年11月1日的《电化学学会杂志》上。合著者包括Boyd；Fultz;Cullen M. Quine（23届博士）；加州理工学院员工研究科学家Channing Ahn；以及JPL的West和Jasmina Pasalic。研究得到了刘易斯和黛安·范·阿莫隆根以及查尔斯·费尔柴尔德夫妇的资助。设备由图能源公司提供。在喷气推进实验室进行的实验得到了美国宇航局的支持。
