石墨烯和電池

石墨烯是一種由碳原子組成的蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)，由于其具有無數(shù)驚人的特性，被廣泛認(rèn)為是一種“神奇材料”。它是一種強(qiáng)大的電能和熱能導(dǎo)體，具有非常輕的化學(xué)惰性，并且具有很大的比表面積。它也被認(rèn)為是環(huán)保和可持續(xù)的，具有無限的可能性，為眾多的應(yīng)用。

石墨烯電池的優(yōu)點(diǎn)

在電池領(lǐng)域，石墨烯增強(qiáng)后，傳統(tǒng)電池電極材料(以及未來的電池電極材料)得到了顯著改善。石墨烯電池重量輕，經(jīng)久耐用，適合大容量?jī)?chǔ)能，并可縮短充電時(shí)間。它將延長(zhǎng)電池的壽命，而電池的壽命與涂覆在材料上或添加到電極上以獲得導(dǎo)電性的碳量呈負(fù)相關(guān)。石墨烯增加導(dǎo)電性，而不需要傳統(tǒng)電池中使用的碳量。

石墨烯可以通過多種方式改善電池的能量密度和形狀等屬性。鋰離子電池(以及其他類型的充電電池)可以通過將石墨烯引入電池的陽極，利用材料的導(dǎo)電性和大面積的表面積特性來實(shí)現(xiàn)形態(tài)優(yōu)化和性能提升。

人們還發(fā)現(xiàn)，制造混合材料也有助于實(shí)現(xiàn)電池的增強(qiáng)。例如，氧化釩(VO2)和石墨烯的混合物可用于鋰離子陰極，具有快速充放電和較大的充電周期耐久性。在這種情況下，VO2具有高能量容量，但導(dǎo)電性較差，這可以通過使用石墨烯作為一種結(jié)構(gòu)“骨干”來解決，并將VO2附著在其上，從而創(chuàng)造出一種兼具高容量和優(yōu)良導(dǎo)電性的混合材料。

另一個(gè)例子是LFP(磷酸鐵鋰)電池，這是一種可充電的鋰離子電池。它的能量密度比其他鋰離子電池要低，但功率密度更高(這是電池提供能量的速率的一個(gè)指標(biāo))。用石墨烯增強(qiáng)LFP陰極使電池更輕，充電速度比鋰離子電池快得多，比傳統(tǒng)的LFP電池容量更大。

除了徹底改變電池市場(chǎng)，石墨烯電池和石墨烯超級(jí)電容器的結(jié)合使用還可以產(chǎn)生驚人的效果，比如著名的提高電動(dòng)汽車行駛里程和效率的概念。雖然石墨烯電池尚未實(shí)現(xiàn)廣泛的商業(yè)化，但全世界都在報(bào)道電池的突破。

電池基本知識(shí)

電池作為一種移動(dòng)電源，可以讓電動(dòng)設(shè)備在不直接插入插座的情況下工作。雖然存在許多類型的電池，但它們發(fā)揮作用的基本概念是相似的:一個(gè)或多個(gè)電化學(xué)電池將儲(chǔ)存的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。電池通常由金屬或塑料外殼制成，包括一個(gè)正極(陽極)、一個(gè)負(fù)極(陰極)和允許離子在它們之間移動(dòng)的電解質(zhì)。

分離器(一種可滲透的聚合物膜)在陽極和陰極之間形成屏障，以防止短路，同時(shí)允許離子電荷載體的運(yùn)輸，而離子電荷載體在電流通過過程中需要關(guān)閉電路。最后，使用集電極通過連接的設(shè)備在電池外部進(jìn)行充電。

當(dāng)兩個(gè)端子之間的電路完成后，電池通過一系列的反應(yīng)產(chǎn)生電能。陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，電解液中的兩個(gè)或兩個(gè)以上離子與陽極結(jié)合產(chǎn)生化合物，釋放電子。同時(shí)，陰極經(jīng)過還原反應(yīng)，陰極物質(zhì)、離子和自由電子結(jié)合成化合物。簡(jiǎn)單地說，陽極反應(yīng)產(chǎn)生電子，而陰極反應(yīng)吸收電子，并從這個(gè)過程中產(chǎn)生電。電池將繼續(xù)發(fā)電，直到電極耗盡產(chǎn)生反應(yīng)所需的物質(zhì)。

電池類型及特性

電池主要分為兩種類型:一次電池和二次電池。一次電池(一次性電池)，在充電過程中電極材料發(fā)生不可逆的變化，一旦使用便失效。常見的例子有鋅碳電池，以及用于玩具、手電筒和許多便攜式設(shè)備的堿性電池。二次電池(可充電)，可以多次放電和充電，因?yàn)樵瓉淼慕M成電極能夠恢復(fù)功能。例如用于汽車的鉛酸電池和用于便攜式電子產(chǎn)品的鋰離子電池。

電池有各種形狀和大小，用于無數(shù)不同的用途。不同種類的電池顯示出不同的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。鎳鎘(NiCd)電池能量密度相對(duì)較低，使用壽命長(zhǎng)、放電率高、價(jià)格低廉。它們可以在攝像機(jī)、電動(dòng)工具和其他用途中找到。鎳鎘電池含有有毒金屬，對(duì)環(huán)境不利。鎳氫電池具有比鎳氫電池更高的能量密度，但也有更短的循環(huán)壽命。應(yīng)用包括手機(jī)和筆記本電腦。鉛酸蓄電池重量大，在大功率應(yīng)用中起著重要作用，在大功率應(yīng)用中，重量不是關(guān)鍵，而經(jīng)濟(jì)價(jià)格是關(guān)鍵。

鋰離子(Li-ion,Li-ion)電池是在高能量和最小重量的情況下使用的，但該技術(shù)是脆弱的，需要一個(gè)保護(hù)電路來確保安全。應(yīng)用包括手機(jī)和各種各樣的電腦。鋰離子聚合物(Li-ionPolymer,Li-ionPolymer)電池主要存在于手機(jī)中。它們很輕，而且比鋰電池更輕薄。它們通常也更安全，壽命更長(zhǎng)。然而，由于鋰離子電池制造成本更低、能量密度更高，它們似乎不那么普遍。

電池和超級(jí)電容器

雖然有些類型的電池能夠儲(chǔ)存大量的能量，但它們體積很大，重量很大，釋放能量很慢。另一方面，電容器能夠快速充放電，但所含能量比電池少得多。然而，石墨烯在這一領(lǐng)域的應(yīng)用為儲(chǔ)能提供了令人興奮的新可能性，具有高充放電率，甚至經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。石墨烯改進(jìn)的性能因此模糊了超級(jí)電容器和電池之間的傳統(tǒng)界限。

石墨烯電池結(jié)合了電池和超級(jí)電容器的優(yōu)點(diǎn)

石墨烯增強(qiáng)電池產(chǎn)品走向商業(yè)化石墨烯基電池具有令人興奮的潛力，雖然還沒有完全商業(yè)化，但研發(fā)是密集的，有望在未來產(chǎn)生成果。

2018年12月，總部位于印度的Log9Materials公司宣布，該公司正在研發(fā)石墨烯金屬空氣電池，理論上，這種電池甚至可能用于制造水上電動(dòng)汽車。金屬空氣電池采用金屬為陽極，空氣(氧)為陰極，水為電解質(zhì)。電池的空氣陰極使用石墨烯棒。由于必須使用氧氣作為陰極，陰極材料必須是多孔的，以便讓空氣通過，這是石墨烯的優(yōu)勢(shì)。根據(jù)Log9材料，電極中使用的石墨烯能夠以三分之一的成本將電池效率提高五倍。

2017年11月，三星開發(fā)了一種獨(dú)特的“石墨烯球”，可以讓鋰離子電池使用更久、充電更快。事實(shí)上，三星高級(jí)技術(shù)研究院(SAIT)表示，使用這種新型石墨烯球材料制造電池，將使電池容量增加45%，充電速度提高5倍。還有人說，三星的電池將使用這種石墨烯球材料，將能夠保持60攝氏度的溫度，這是電動(dòng)汽車使用的要求。

2016年11月，華為發(fā)布了一款新的石墨烯增強(qiáng)鋰離子電池，它可以在更高的溫度(60°而不是現(xiàn)有的50°限制)下保持功能，并提供更長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間——比以前電池的兩倍。為了實(shí)現(xiàn)這一突破，華為引入了幾項(xiàng)新技術(shù)——包括電解液中的抗分解添加劑、化學(xué)穩(wěn)定的單晶陰極——和石墨烯，以促進(jìn)散熱。華為表示，石墨烯可以將電池的工作溫度降低5度。

2014年6月，總部位于美國(guó)的VorbeckMaterials公司發(fā)布了一款名為vr-powerstrap的產(chǎn)品，這是一款輕便靈活的電源，可以連接到任何現(xiàn)有的包帶上，支持移動(dòng)充電站(通過2個(gè)USB接口和一個(gè)微型USB端口)。該產(chǎn)品重450克，提供7200毫安，可能是世界上第一個(gè)石墨烯增強(qiáng)電池。

2014年5月，美國(guó)AngstronMaterials公司推出了幾款新型石墨烯產(chǎn)品。這些產(chǎn)品據(jù)說將在2014年底左右上市，包括一系列用于鋰離子電池的石墨烯增強(qiáng)陽極材料。這種電池材料被命名為“納米GCA”，有望制成高容量陽極，通過將高容量硅與機(jī)械增強(qiáng)和導(dǎo)電石墨烯結(jié)合，能夠支持?jǐn)?shù)百次充放電循環(huán)。