石墨烯電池

石墨烯電池由美國俄亥俄州的Nanotek儀器公司利用鋰離子在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運動的特性開發而來。

[]

目錄

發展前景

新型石墨烯電池實驗階段的成功，無疑將成為電池產業的一個新的發展點。電池技術是電動汽車大力推廣和發展的最大門檻，而電池產業正處於鉛酸電池和傳統鋰電池發展均遇瓶頸的階段，石墨烯儲能設備的研製成功後，若能批量生產，則將為電池產業乃至電動車產業帶來新的變革。由於其獨有的特性，石墨烯被稱為「神奇材料」，科學家甚至預言其將「徹底改變21世紀」。曼徹斯特大學副校長Colin Bailey教授稱：「石墨烯有可能徹底改變數量龐大的各種應用，從智能手機和超高速寬帶到藥物輸送和計算機芯片。」石墨烯電池最近美國加州大學洛杉磯分校的研究人員就開發出一種以石墨烯為基礎的微型超級電容器，該電容器不僅外形小巧，而且充電速度為普通電池的1000倍，可以在數秒內為手機甚至汽車充電，同時可用於製造體積較小的器件。微型石墨烯超級電容技術突破可以說是給電池帶來了革命性發展。主要製造微型電容器的方法是平板印刷技術，需要投入大量的人力和成本，阻礙了產品的商業應用。而只需要常見的DVD刻錄機，甚至是在家裡，利用廉價材料30分鐘就可以在一個光盤上製造100多個微型石墨烯超級電容。正是看到了石墨烯的應用前景，許多國家紛紛建立石墨烯相關技術研發中心，嘗試使用石墨烯商業化，進而在工業、技術和電子相關領域獲得潛在的應用專利。歐盟委員會將石墨烯作為「未來新興旗艦技術項目」，設立專項研發計劃，未來10年內撥出10億歐元經費。英國政府也投資建立國家石墨烯研究所(NGI)，力圖使這種材料在未來幾十年裡可以從實驗室進入生產線和市場。石墨烯電池中國在石墨烯研究上也具有獨特的優勢，從生產角度看，作為石墨烯生產原料的石墨，在我國儲能豐富，價格低廉。另外，批量化生產和大尺寸生產是阻礙石墨烯大規模商用的最主要因素。利用化學氣相沉積法成功製造出了國內首片15英寸的單層石墨烯，並成功地將石墨烯透明電極應用於電阻觸摸屏上，製備出了7英寸石墨烯觸摸屏。中科院重慶綠色智能技術研究院的研究人員在展示單層石墨烯產品的超強透光性和柔性。由於石墨烯擁有超乎想像的導電能力，石墨烯電池概念成為突破電池技術瓶頸的救命稻草。尤其國內電動汽車行業但凡有技術突破都與石墨烯電池掛鈎。隨着研究的不斷深入，技術難題的接連攻克，應用範圍也在不斷拓寬，相信石墨烯器件時代已為期不遠，也可以期待一下這一「21世紀的神奇材料」會帶來怎樣的驚喜。「石墨烯電池或將改革：充電10分鐘跑1000公里」報道：西班牙Graphenano公司(一家以工業規模生產石墨烯的公司)同西班牙科爾瓦多大學合作研究出首例石墨烯聚合材料電池，其儲電量是市場最好產品的三倍，用此電池提供電力的電動車最多能行駛1000公里，而其充電時間不到8分鐘。雖然此電池具有各種優良的性能，但其成本並不高。Graphenano公司相關負責人稱，此電池的成本將比鋰電池低77%，完全在消費者承受範圍之內。此外，在汽車燃料電池等領域，石墨烯還有望帶來革命性進步。

容量影響

從微觀的角度看蓄電池的充放電過程，實際上是一個陽離子在電極中「鑲嵌」和「脫離」的過程。所以，如果電極材料中的孔洞越多，則這個過程進行的越迅速。在宏觀的角度看則表現為蓄電池充放電的速度越快。石墨烯的微觀構造，是一個由碳原子所組成的網狀結構。因為具有極限的薄度(只有一層原子的厚度)，所以陽離子的移動所受限制很小。同時正因為具有網狀結構，由石墨烯所製成的電極材料也擁有充分的孔洞。從這個方面看，石墨烯無疑是一種非常理想的電極材料。位於美國紐約州的倫斯勒理工學院(RPI，Rensselaer Polytechnic Institute)的研究者的研究表明：使用石墨烯作為電池的陽極材料，其充放電速度將超過鋰離子蓄電池的10倍。

原理

石墨烯電池利用環境熱量自行充電的試驗。實驗製成電路其中包含LED，用電線連接到帶狀石墨烯。他們只是把石墨烯放在氯化銅(copper chloride)溶液中，進行觀察。LED燈亮了。實際上，他們需要6個石墨烯電路，形成串聯，這樣就可產生所需的2V，使LED燈發亮，就可以得到這個圖片。徐子涵和同事說，這裡發生情況就是銅離子具有雙重正電荷，穿過溶液的速度約每秒300米，因為溶液在室溫下的熱能量。當離子猛烈撞入石墨烯帶時，碰撞會產生足夠的能量，使不在原位的電子離開石墨烯。電子有兩種選擇：可以離開石墨烯帶，和銅離子結合，也可以穿過石墨烯，進入電路。原來，流動的電子在石墨烯中更快，超過它穿過溶液的速度，所以電子自然會選擇路徑，穿過電路。正是這一點點亮了LED燈「釋放的電子更傾向於穿過石墨烯表面，而不是進入電解液。設備就是這樣產生電壓的，」徐子涵說。因此，這個裝置產生的能量來自周圍環境的熱量。他們可以提高電流，只需加熱溶液，也可用超聲波加快銅離子。只依靠周圍熱量，就可以使他們的石墨烯電池持續運行20天。但是，還有一個重要的問號。另一個假設是某種化學反應產生電流，就像普通的電池。然而，徐子涵和同事說，他們排除了這一點，因為進行了幾組控制實驗。然而，這些是在一些補充材料中介紹的，他們似乎並沒有放在arXiv網站上。他們需要趕在別人做出嚴肅聲明之前公開。從表面價值來看，這看起來是一項非常重要的成果。其他人也在石墨烯中產生過電流，但只是讓水流過它，所以這並不真的使人吃驚，移動的離子也可以產生這樣的效果。這預示着清潔的綠色電池，只依靠環境熱量驅動。徐子涵和同事說：「這代表着一個巨大的突破，研究的是自驅動技術」。

應用

隨着批量化生產以及大尺寸等難題的逐步突破，石墨烯的產業化應用步伐正在加快，基於已有的研究成果，最先實現商業化應用的領域可能會是移動設備、航空航天、新能源電池領域。消費電子展上可彎曲屏幕備受矚目，成為未來移動設備顯示屏的發展趨勢。柔性顯示未來市場廣闊，作為基礎材料的石墨烯前景也被看好。有數據顯示2013年全球對手機觸摸屏的需求量大概在9.65億片。到2015年，平板電腦對大尺寸觸摸屏的需求也將達到2.3億片，為石墨烯的應用提供了廣闊的市場。韓國三星公司的研究人員也已製造出由多層石墨烯等材料組成的透明可彎曲顯示屏，相信大規模商用指日可待。另一方面，新能源電池也是石墨烯最早商用的一大重要領域。之前美國麻省理工學院已成功研製出表面附有石墨烯納米圖層的柔性光伏電池板，可極大降低製造透明可變形太陽能電池的成本，這種電池有可能在夜視鏡、相機等小型數碼設備中應用。另外，石墨烯超級電池的成功研發，也解決了新能源汽車電池的容量不足以及充電時間長的問題，極大加速了新能源電池產業的發展。這一系列的研究成果為石墨烯在新能源電池行業的應用鋪就了道路。由於高導電性、高強度、超輕薄等特性，石墨烯在航天軍工領域的應用優勢也是極為突出的。前不久美國NASA開發出應用於航天領域的石墨烯傳感器，就能很好的對地球高空大氣層的微量元素、航天器上的結構性缺陷等進行檢測。而石墨烯在超輕型飛機材料等潛在應用上也將發揮更重要的作用。