長久以來，續(xù)航里程是限制電動(dòng)汽車發(fā)展的瓶頸，我們稱之為歷程焦慮。提高續(xù)航里程一方面要增大電池組的容量，但是更為重要的是提高電池的比能量，目前三元材料鋰離子動(dòng)力電池的重量比能量一般為200Wh/kg作用，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，有望在2020年推出比能量達(dá)到300Wh/kg的量產(chǎn)高比能動(dòng)力電池，但是這仍然無法滿足電動(dòng)汽車未來發(fā)展的需求。關(guān)于下一代高比能動(dòng)力電池的發(fā)展，目前有幾種路線可供選擇，一種是全固態(tài)鋰金屬電池，這是目前被廣泛接受和認(rèn)可的技術(shù)路線，美國的“Battery 500”計(jì)劃就是旨在通過開發(fā)金屬鋰二次電池技術(shù)的實(shí)現(xiàn)電池組比能量達(dá)到500Wh/kg的目標(biāo)，日本的固態(tài)電解質(zhì)技術(shù)處于全球領(lǐng)先水平，其開發(fā)的硫化物電解質(zhì)離子電導(dǎo)率甚至可以和液態(tài)電解質(zhì)相媲美；另外一條技術(shù)路線就是金屬-空氣電池，例如目前主流的Li-空氣和Na-空氣電池，其理論比能量超過2000Wh/kg，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋰離子動(dòng)力電池。
近日，中南大學(xué)和國防科技大學(xué)的Qichen Wang利用N摻雜石墨烯材料NDGs-800作為空氣電極催化劑制備了Zn-空氣電池，利用氧化石墨烯GO大量的缺陷提高了O2在空氣電極的催化效率，大幅提升了Zn-空氣電池的性能，比能量高達(dá)872.3Wh/kg，在未來儲(chǔ)能領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景。
對(duì)于金屬-空氣電池而言最為關(guān)鍵的就是空氣電極的設(shè)計(jì)，空氣電極要兼具催化O2還原和析氧反應(yīng)，常見的氧氣電極多為貴金屬（Pt）和稀土金屬氧化物等，但是它們很難兼顧O2的還原和析氧兩個(gè)反應(yīng)。于是人們由將視線注意到了碳電極，研究表明碳材料內(nèi)的缺陷和多孔結(jié)構(gòu)能夠?yàn)?/span>O2在電極中的還原和析氧提供眾多的活性點(diǎn)位，從而提升金屬-空氣的電池性能。而氧化還原石墨烯恰好是這樣一個(gè)非常好的選項(xiàng)，氧化還原石墨烯本身就具有非常多的缺陷，Qichen Wang又通過N摻雜手段在石墨烯內(nèi)引入了更多的缺陷，同時(shí)石墨烯巨大的比表面積和多孔結(jié)構(gòu)也O2的還原和析氧提供了眾多的活性點(diǎn)位，從而大幅提升了Zn-空氣電池的性能。
N摻雜石墨烯的合成方法如上圖a所示，首先將一定數(shù)量的g-C3N4片加入到氧化石墨烯GO的水溶液之中，超聲處理1h，然后將混合溶液在180℃下水熱處理12h，生成黑色的混合凝膠，然后冷凍干燥48h，除去H2O。干燥后的材料在管式爐中，在N2的保護(hù)下分別加熱到600-900℃，熱處理3h，獲得N摻雜的石墨烯材料NDGs-x（x代表處理溫度）。
N摻雜石墨烯的結(jié)構(gòu)如上圖所示，從圖b和c可以看到其具有開孔結(jié)構(gòu)和典型的石墨烯特點(diǎn)，原子力顯微鏡（上圖e）表明石墨烯的厚度為3nm，大約由9層碳原子層組成，同時(shí)該材料具有非常大的比表面積（443.2m2/g）和微孔體積比例（3.43cm3/g），能夠?yàn)?/span>O2的還原和析氧反應(yīng)提供大量的活性點(diǎn)。
通過XPS研究顯示N元素在氧化石墨烯中主要以三種形式存在分別為：吡啶N、吡咯N、石墨N和吡啶N+-O-，從下圖d可以注意到在800℃下燒結(jié)的NDGs-800材料的吡啶N含量最高，達(dá)到47.9%。如此高含量的吡啶N和氧化還原石墨烯GO內(nèi)廣泛存在的缺陷，顯著的促進(jìn)了催化O2的還原和析氧反應(yīng)的效率。
更多的反應(yīng)活性點(diǎn)幫助N摻雜石墨烯NDGs材料獲得了更好的反應(yīng)活性，從下圖a的線性電壓掃描能夠看到NDGs-800材料（紅色曲線）表現(xiàn)出了非常高的催化O2還原反應(yīng)活性，起始反應(yīng)電壓為0.95V，半波電壓也達(dá)到0.85V，在0V的反應(yīng)電流密度更是達(dá)到了5.6mA/cm2。從下圖b我們可以注意到NDGs-800在0.8V的反應(yīng)電流密度（13.91mA/cm2）甚至要高于Pt/C復(fù)合催化劑的反應(yīng)電流密度（13.32mA/cm2）更是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于NDGs-900（6.03mA/cm2）、NDGs-600（55.55mA/cm2）和NDSs-700（2.80mA/cm2），這使得NDGs-800材料成為最佳的非金屬反應(yīng)催化劑。
雖然NDGs-800催化O2還原反應(yīng)的活性非常高，但是我們?nèi)匀恍枰疾?/span>NDGs-800催化析氧反應(yīng)的活性，從下圖我們能夠看到，NDGs-800材料在10mA/cm2的電流密度下，析氧反應(yīng)的過電勢(shì)要比RuO2/C催化劑高375mV，表明NDGs-800材料的析氧反應(yīng)催化效率不如RuO2/C催化劑，這是NDGs-800材料在后續(xù)的研究中需要改進(jìn)的地方。
Qichen Wang采用NDGs-800材料組合了Zn-空氣電池（結(jié)構(gòu)如下圖所示），該電池的開率電壓為1.45V，功率密度為115.2mW/cm2，要好于Pt/C催化劑（1.43V，110.3mW/cm2），通過采用NDGs-800材料Zn負(fù)極的比容量達(dá)到750.8mAh/g（電流密度10mA/cm2），電池比能量達(dá)到872.3Wh/kg。該電池也表現(xiàn)出了非常優(yōu)異的循環(huán)性能，在10mA/cm2的電流密度下，循環(huán)234次（每次循環(huán)20min）電池幾乎沒有衰降，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于采用Pt/C+Ir/C催化劑的電池。
Qichen Wang開發(fā)的N摻雜石墨烯材料NDGs-800材料充分利用了氧化石墨烯GO中大量的缺陷，并通過N摻雜引入了更多的缺陷，為O2還原和析氧反應(yīng)催化提供了大量的活性點(diǎn)，大大提高了催化效率，特別是在催化O2還原方面，其催化效率甚至要高于Pt/C電極，并且在充放電循環(huán)中也表現(xiàn)出了優(yōu)異的穩(wěn)定性，具有廣闊的應(yīng)用前景。但是NDGs-800催化析氧反應(yīng)的活性仍然不如RuO2/C催化劑，這也是后續(xù)需要改進(jìn)的地方。
