超級(jí)電池

制造

　　為了研制這種微型超級(jí)電池，研究人員使用二維石墨烯層，在第三維立體層面其厚度僅有單個(gè)原子。

　　由于制造微型超級(jí)電容的傳統(tǒng)方法涉及到密集型光刻技術(shù)，被證實(shí)很難制造成本低廉的器件，因此在商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域受限。

　　但是，研究人員基于適用于大眾的光速寫DVD燒錄技術(shù)，可以僅用部分傳統(tǒng)裝置成本制造出石墨烯微型超級(jí)電容。

　　使用這種技術(shù)，利用廉價(jià)材料僅不足30分鐘在一個(gè)光盤上制造100多個(gè)微型超級(jí)電池。

特點(diǎn)

　　為了使超級(jí)電池更具有效性，兩個(gè)分離電極的放置方式必須使其表面積最大化，這將使超級(jí)電池能夠存儲(chǔ)更多電能。

　　過去的微型電池是多層石墨烯堆疊在一起作為電極，像三明治面包片。但在超級(jí)電池中，研究人員使用叉合模型(類似于互相交織的手指)將電極并排放在一起。這有助于實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電極表面積的最大化，盡管這同時(shí)也會(huì)減少電解液中離子需要擴(kuò)散的路徑。

前景

　　超級(jí)電池能夠存儲(chǔ)更多的電能，更快地完成充電。研究人員表示，人們未來可能在家中完成這種超級(jí)電池的制造。

　　但美國加州洛杉磯大學(xué)材料科學(xué)和工程系教授理查德-卡恩表示，集合電子電路的能量存儲(chǔ)單元的設(shè)計(jì)制造存在著挑戰(zhàn)。

　　生活中，電池容量不足時(shí)常困擾著電動(dòng)車和智能手機(jī)用戶。性能穩(wěn)定、價(jià)格合理的超級(jí)電池是人類多年來追尋的夢想?，F(xiàn)階段人們對(duì)超級(jí)電池的形象描述可概括為：一次充電，可以讓電動(dòng)汽車行駛1000公里，讓智能手機(jī)玩一周，充電時(shí)間能控制在幾分鐘內(nèi)，最好可無線充電。這種超級(jí)電池的市場規(guī)模不低于1萬億美元。當(dāng)前，美國、中國、日本和韓國都在沖刺超級(jí)電池。

　　目前常用的鋰離子電池1991年才開始商業(yè)化，主要有鈷酸鋰、磷酸鐵鋰和錳酸鋰3種類型。鈷酸鋰電池能量密度最高，但高溫下不穩(wěn)定，其他兩種能量密度不高?？沙潆婋姵氐牡谖宕a(chǎn)品--鋰金屬電池誕生于1996年，在安全性、比容量、自放電率和性能價(jià)格比方面，均優(yōu)于鋰離子電池。但距離超級(jí)電池的要求，還有較大差距。

　　石墨烯有望引發(fā)電池新突破。2004年誕生的石墨烯，其特點(diǎn)是具有良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能：作為電導(dǎo)體，其導(dǎo)電性可與金屬銅媲美；作為熱導(dǎo)體，它是現(xiàn)有材料中最好的，更難能可貴的是，這種材料在很薄的時(shí)候，仍有很高的硬度。石墨烯已被各大工業(yè)國列為重要材料進(jìn)行深度開發(fā)。目前，石墨烯應(yīng)用于電池上的研究基本上有3個(gè)方向：

　　一是以石墨烯形成全新體系電池。就是說以石墨烯制造一個(gè)全新體系的電池，在性能上是顛覆性的，稱作“超級(jí)電池”。使用這種材料制作的電池，能量密度超過600wh/kg，是目前動(dòng)力鋰電池的5倍，一次充電時(shí)間只需8分鐘，可行駛1000公里；電池重量只有鋰離子電池的一半，體積也會(huì)大幅縮小，減輕使用該電池汽車的自身重量；電池的使用壽命更長，是傳統(tǒng)氫化電池的4倍，鋰電池的2倍；其成本將比目前鋰電池降低77%。這些物理參數(shù)都符合超級(jí)電池的要求。

　　二是以石墨烯強(qiáng)化現(xiàn)有電池性能。將石墨烯運(yùn)用到現(xiàn)有電池上，改進(jìn)提升鋰電池、太陽能電池等電池性能，力圖達(dá)到超級(jí)電池的性能。對(duì)于那些已投巨資建設(shè)鋰電池工廠的企業(yè)，短期內(nèi)很難再投資開發(fā)一種全新電池，利用石墨烯的特性來提升現(xiàn)有鋰電池性能，或許更為現(xiàn)實(shí)。就石墨烯屬性來說，作為最薄、最堅(jiān)硬、導(dǎo)電性良好且擁有強(qiáng)大靈活性的納米材料，石墨烯可廣泛應(yīng)用于鋰離子電池、超級(jí)電容器及太陽能電池等儲(chǔ)能產(chǎn)品中。石墨烯的特殊結(jié)構(gòu)決定其可以提升電池中的鋰離子獲得高速率通道的性能，可以幫助鋰電池技術(shù)突破長期難以逾越的障礙。目前，以石墨烯和硅為原料研發(fā)的手機(jī)電池，每次充電僅需15分鐘，便可讓手機(jī)運(yùn)行一周。

　　三是以石墨烯催化燃料電池性能。用特制的石墨烯材料替代鉑作為催化劑，來制造燃料電池所需的氫燃料。燃料電池是將燃料具有的化學(xué)能直接變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電裝置。與其他電池相比，具有能量轉(zhuǎn)化效率高、無環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)。“質(zhì)子傳導(dǎo)薄膜”是燃料電池技術(shù)的核心部分?，F(xiàn)有的質(zhì)子薄膜上常存在燃料泄漏，因而降低了電池有效性。但質(zhì)子可以較為容易地“穿越”石墨烯等二維材料，而其他物質(zhì)則很難穿越，這就可以解決燃料滲透的問題，從而增強(qiáng)電池的性能。

　　石墨烯技術(shù)的應(yīng)用至今仍處于初級(jí)階段，尤其是能讓電池體積和重量大幅縮小的單層石墨烯材料，成品率低，生產(chǎn)成本高，成為石墨烯電池難以產(chǎn)業(yè)化的重要成因。因而，通過進(jìn)一步創(chuàng)新，完善技術(shù)工藝，降低生產(chǎn)成本，是今后石墨烯電池發(fā)展的關(guān)鍵。目前，我國在石墨烯研發(fā)及應(yīng)用上走在世界前列，已有多款石墨烯電池和石墨烯鋰硫電池取得了突破性進(jìn)展。

　　當(dāng)然，全球在電池領(lǐng)域的研發(fā)不僅限于石墨烯，日本就在研發(fā)利用鎂生產(chǎn)性能更高、成本更低的蓄電池；瑞典正在研究利用碳纖維來提高鋰電池的性能。但這些新技術(shù)要真正實(shí)用化，甚至形成巨大的產(chǎn)業(yè)，還需要經(jīng)過市場的洗禮。

　　總之，尋找超級(jí)電池的過程，是科技創(chuàng)新的過程，也是產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的過程。以石墨烯為代表的超級(jí)電池實(shí)現(xiàn)突破之日，將是包括新型自動(dòng)駕駛飛機(jī)、電動(dòng)汽車、手機(jī)、電腦等一切靠電力驅(qū)動(dòng)設(shè)備變革之時(shí)，對(duì)多個(gè)行業(yè)將具有顛覆性意義，必將為人類生活翻開新的一頁。