技术解析：石墨烯在化学电源中的新应用

出良好的双电层电容器性能。这都预示着单层的石墨烯结构在电极材料领域具有很好的发展前途。

　　石墨烯空气电极的开发

　　日本产业综合研究所以推动并实现下一代锂电池的实用化为目标，通过采用电极材料纳米级结构期望实现输出功率的大幅度提高，采用混合电解液，希望得到电动车用高比能量的锂空气电池的研究开发一直在持续着。但是，目前为止产业综合研究所开发出的混合电解液的锂空气电池一直使用固定了催化剂的空气电极，这种空气电极是以高温烧结制作出来的贵重金属或贵重金属氧化物等的超微颗粒催化剂为基础，由具有高比表面积的碳材料用粘结剂粘结的混合催化剂层及疏水处理过的空气扩散层组成，其制作工艺非常复杂，成本很高。

　　此次研究小组发现了石墨烯具有将空气中的氧还原的催化效果，以此特征为出发点，以石墨烯作为空气电极，金属锂为负极，使用混合电解液（有机电解液/固体电解质/水溶性电解液）进行组合，开发出具有金属锂/有机电解液/固体电解质/水溶性电解液/石墨烯空气电极结构的锂空气电池，如图2（a）所示。石墨烯结构的氧还原反应为：

　　O2+2H2O+4e－→4OH－

　　其示意如图2（b）所示。

　　石墨烯空气极的锂空气电池在0.5mA/cm2的电流密度下循环充放电特征曲线如图2（c）所示。

　　为了确认石墨烯空气电极的性能，分别用石墨烯、以往燃料电池使用的含铂质量分数20%的碳黑及乙炔黑为空气电极，制作出锂空气电池，比较各种电池的放电电压，得出结果是最新开发的石墨烯空气电极在强碱性水溶液中几十小时放电后，具有与含铂质量分数20%的碳黑空气电极相近的催化活性，分别制出的两个电池单体电压相差很小，如图3所示。

　　图4中的照片是片状石墨烯透过电子显微镜的成像(黄框内是电子线的衍射图样)。分别用石墨烯，在含氢4%的氩气气氛中热处理过的石墨烯，乙炔黑作为锂空气电池的空气电极，制成结构相同的锂空气电池。在空气中以0.5mA/cm2的电流密度进行50次重复充放电，循环进行充放电伴有电池单体电压的变化，如图4所示。充电电位和放电电位没产生很大差异，因此可以确认其具有稳定的充放电循环特征。

　　研究小组今后将利用这一成果，即石墨烯在酸性条件下将氧还原的催化活性，将其用作廉价稳定的催化剂，并进一步研究开发表面修饰的石墨烯及碳纳米管的催化活性。