石墨烯表面鋰離子交換電池 電動(dòng)充電僅需一分鐘
一種看起來(lái)怎么也和電池搭不上界的物質(zhì)，成了突破電池技術(shù)瓶頸的關(guān)鍵。美國(guó)俄亥俄州Nanotek儀器公司的研究人員利用鋰離子可在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運(yùn)動(dòng)的特性，開(kāi)發(fā)出一種新型儲(chǔ)能設(shè)備，可以將充電時(shí)間從過(guò)去的數(shù)小時(shí)之久縮短到不到一分鐘。該研究發(fā)表在近期出版的《納米快報(bào)》上。
電池充電性能成為電動(dòng)車(chē)發(fā)展的最大挑戰(zhàn)
眾所周知，電動(dòng)汽車(chē)因其清潔節(jié)能的特點(diǎn)而被視為汽車(chē)的未來(lái)發(fā)展方向，但電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展面臨的主要技術(shù)瓶頸就是電池技術(shù)。這主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是電池的能量?jī)?chǔ)存密度，指的是在一定的空間或質(zhì)量物質(zhì)中儲(chǔ)存能量的大小，要解決的是電動(dòng)車(chē)充一次電能跑多遠(yuǎn)的問(wèn)題。二是電池的充電性能。人們希望電動(dòng)車(chē)充電能像加油一樣，在幾分鐘內(nèi)就可以完成，但耗時(shí)問(wèn)題始終是電池技術(shù)難以逾越的障礙。動(dòng)輒數(shù)小時(shí)的充電時(shí)間，讓許多對(duì)電動(dòng)車(chē)感興趣的人望而卻步。因此，有人又將電動(dòng)車(chē)電池的充電性能稱(chēng)為電動(dòng)車(chē)發(fā)展的真正瓶頸。
目前在電池技術(shù)上主要采用的是鋰電池和超級(jí)電容技術(shù)，鋰電池和超級(jí)電容各有長(zhǎng)短。鋰離子電池能量?jī)?chǔ)存密度高，為120瓦/公斤到150瓦/公斤，超級(jí)電容的能量?jī)?chǔ)存密度低，為5瓦/公斤。但鋰電池的功率密度低，為1千瓦/公斤，而超級(jí)電容的功率密度為10千瓦/公斤。目前大量的研究工作集中于提高鋰離子電池的功率密度或增加超級(jí)電容的能量?jī)?chǔ)存密度這兩個(gè)領(lǐng)域，但挑戰(zhàn)十分巨大。
新研究通過(guò)采用石墨烯這種神奇的材料，繞過(guò)了挑戰(zhàn)。石墨烯因具有如下特點(diǎn)成為新儲(chǔ)能設(shè)備的首選：它是目前已知導(dǎo)電性最高的材料，比銅高五倍；具有很強(qiáng)的散熱能力；密度低，比銅低四倍，重量更輕；表面面積是碳納米管兩倍時(shí)，強(qiáng)度超過(guò)鋼；超高的楊氏模量和最高的內(nèi)在強(qiáng)度；比表面積（即單位質(zhì)量物料所具有的總面積）高；不容易發(fā)生置換反應(yīng)。
新設(shè)備讓電動(dòng)車(chē)不到1分鐘充滿(mǎn)電
新儲(chǔ)能設(shè)備又稱(chēng)為石墨烯表面鋰離子交換電池，或簡(jiǎn)稱(chēng)為表面介導(dǎo)電池（SMCS），它集中了鋰電池和超級(jí)電容的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)兼具高功率密度和高能量?jī)?chǔ)存密度的特性。雖然目前的儲(chǔ)能設(shè)備尚未采用優(yōu)化的材料和結(jié)構(gòu)，但性能已經(jīng)超過(guò)了鋰離子電池和超級(jí)電容。新設(shè)備的功率密度（即電池能輸出最大的功率除以整個(gè)燃料電池系統(tǒng)的重量或體積）為100千瓦/公斤，比商業(yè)鋰離子電池高100倍，比超級(jí)電容高10倍。功率密度高，能量轉(zhuǎn)移率就高，充電時(shí)間就會(huì)縮短。此外，新電池的能量?jī)?chǔ)存密度為160瓦/公斤，與商業(yè)鋰離子電池相當(dāng)，比傳統(tǒng)超級(jí)電容高30倍。能量?jī)?chǔ)存密度越大，存儲(chǔ)的能量就越多。
SMC的關(guān)鍵是其陰極和陽(yáng)極有非常大的石墨烯表面。在制造電池時(shí)，研究人員將鋰金屬置于陽(yáng)極。首次放電時(shí)，鋰金屬發(fā)生離子化，通過(guò)電解液向陰極遷移。離子通過(guò)石墨烯表面的小孔，到達(dá)陰極。在充電過(guò)程中，由于石墨烯電極表面積很大，大量的鋰離子可以迅速?gòu)年帢O向陽(yáng)極遷移，形成高功率密度和高能量密度。研究人員解釋說(shuō)，鋰離子在多孔電極表面的交換可以消除嵌插過(guò)程所需的時(shí)間。在研究中，研究人員準(zhǔn)備了氧化石墨烯、單層石墨烯和多層石墨烯等各種不同類(lèi)型的石墨烯材料，以便優(yōu)化設(shè)備的材料配置。下一步將重點(diǎn)研究電池的循環(huán)壽命。目前的研究表明，充電1000次后，可以保留95％容量；充電2000次后，尚未發(fā)現(xiàn)形成晶體結(jié)構(gòu)。研究人員還計(jì)劃探討鋰不同的存儲(chǔ)機(jī)制對(duì)設(shè)備性能的影響。
研究表明，在重量相同的情況下，僅以尚未優(yōu)化的SMC替代鋰離子電池，SMC或鋰離子電池電動(dòng)車(chē)的駕駛距離相同，但SMC的充電時(shí)間不到一分鐘，而鋰離子電池則需要數(shù)小時(shí)。研究人員相信，優(yōu)化后SMC的性能會(huì)更好。
如果今后電動(dòng)汽車(chē)廣為流行，充電站設(shè)置在加油站，其結(jié)果將會(huì)出現(xiàn)一幅十分有趣的情景，那就是電動(dòng)車(chē)的充電時(shí)間將比加油還要快，而且比加油還便宜。研究人員表示，除了電動(dòng)汽車(chē)外，該設(shè)備還可用于再生能源儲(chǔ)存（如儲(chǔ)存太陽(yáng)能和風(fēng)能）和智能電網(wǎng)。
