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寻找“超级电池”:石墨烯颠覆传统

导读: 现阶段人们对石墨烯超级电池的形象描述可概括为:一次充电,可以让电动汽车行驶1000公里,让智能手机玩一周,充电时间能控制在几分钟内,最好可无线充电。这种超级电池的市场规模不低于1万亿美元。当前,美国、中国、日本和韩国都在冲刺超级电池。

  生活中,电池容量不足时常困扰着电动车和智能手机用户。性能稳定、价格合理的超级电池是人类多年来追寻的梦想。现阶段人们对超级电池的形象描述可概括为:一次充电,可以让电动汽车行驶1000公里,让智能手机玩一周,充电时间能控制在几分钟内,最好可无线充电。这种超级电池的市场规模不低于1万亿美元。当前,美国、中国、日本和韩国都在冲刺超级电池。

  目前常用的锂离子电池1991年才开始商业化,主要有钴酸锂、磷酸铁锂和锰酸锂3种类型。钴酸锂电池能量密度最高,但高温下不稳定,其他两种能量密度不高。可充电电池的第五代产品——锂金属电池诞生于1996年,在安全性、比容量、自放电率和性能价格比方面,均优于锂离子电池。但距离超级电池的要求,还有较大差距。

  石墨烯有望引发电池新突破。2004年诞生的石墨烯,其特点是具有良好的导电导热性能:作为电导体,其导电性可与金属铜媲美;作为热导体,它是现有材料中最好的,更难能可贵的是,这种材料在很薄的时候,仍有很高的硬度。石墨烯已被各大工业国列为重要材料进行深度开发。目前,石墨烯应用于电池上的研究基本上有3个方向:

寻找“超级电池”:石墨烯颠覆传统

  一是以石墨烯形成全新体系电池。就是说以石墨烯制造一个全新体系的电池,在性能上是颠覆性的,称作“超级电池”。使用这种材料制作的电池,能量密度超过600wh/kg,是目前动力锂电池的5倍,一次充电时间只需8分钟,可行驶1000公里;电池重量只有锂离子电池的一半,体积也会大幅缩小,减轻使用该电池汽车的自身重量;电池的使用寿命更长,是传统氢化电池的4倍,锂电池的2倍;其成本将比目前锂电池降低77%。这些物理参数都符合超级电池的要求。

  二是以石墨烯强化现有电池性能。将石墨烯运用到现有电池上,改进提升锂电池、太阳能电池等电池性能,力图达到超级电池的性能。对于那些已投巨资建设锂电池工厂的企业,短期内很难再投资开发一种全新电池,利用石墨烯的特性来提升现有锂电池性能,或许更为现实。就石墨烯属性来说,作为最薄、最坚硬、导电性良好且拥有强大灵活性的纳米材料,石墨烯可广泛应用于锂离子电池、超级电容器及太阳能电池等储能产品中。石墨烯的特殊结构决定其可以提升电池中的锂离子获得高速率通道的性能,可以帮助锂电池技术突破长期难以逾越的障碍。目前,以石墨烯和硅为原料研发的手机电池,每次充电仅需15分钟,便可让手机运行一周。

  三是以石墨烯催化燃料电池性能。用特制的石墨烯材料替代铂作为催化剂,来制造燃料电池所需的氢燃料。燃料电池是将燃料具有的化学能直接变为电能的发电装置。与其他电池相比,具有能量转化效率高、无环境污染等优点。“质子传导薄膜”是燃料电池技术的核心部分。现有的质子薄膜上常存在燃料泄漏,因而降低了电池有效性。但质子可以较为容易地“穿越”石墨烯等二维材料,而其他物质则很难穿越,这就可以解决燃料渗透的问题,从而增强电池的性能。

  石墨烯技术的应用至今仍处于初级阶段,尤其是能让电池体积和重量大幅缩小的单层石墨烯材料,成品率低,生产成本高,成为石墨烯电池难以产业化的重要成因。因而,通过进一步创新,完善技术工艺,降低生产成本,是今后石墨烯电池发展的关键。目前,我国在石墨烯研发及应用上走在世界前列,已有多款石墨烯电池和石墨烯锂硫电池取得了突破性进展。

  当然,全球在电池领域的研发不仅限于石墨烯,日本就在研发利用镁生产性能更高、成本更低的蓄电池;瑞典正在研究利用碳纤维来提高锂电池的性能。但这些新技术要真正实用化,甚至形成巨大的产业,还需要经过市场的洗礼。

  总之,寻找超级电池的过程,是科技创新的过程,也是产业结构优化的过程。以石墨烯为代表的超级电池实现突破之日,将是包括电动车、手机、电脑等一切靠电力驱动设备变革之时,对多个行业将具有颠覆性意义,必将为人类生活翻开新的一页。

 

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