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    石墨烯在電池和超級電容器的應用前景

    文章來源:admin 更新時間:2015-05-08

    石墨烯在電池和超級電容器的應用前景

    能量儲存一直以來都是問題,隨著可再生能源、電動汽車、智能手機、以及包括Apple Watch在內的可穿戴設備的出現,對于在更小體積內儲存更多能量的需求越來越迫切。目前的能量密度極限使得電動汽車最多只能行駛幾百英里,而智能手機的電池也很少能維持24小時。 納米材料,特別是石墨烯,在能量儲存領域已經引起了極大的關注。這種材料像許多納米材料一樣,具有很高的比表面積,意味著有能力儲存大量的電荷,因此科學家對制備石墨烯基超級電容器和用于鋰離子電池的石墨烯負極表現出了相當大的興奮。 可穿戴設備(如Apple Watch)將刺激能儲存更多能量的致密電池的需求。 石墨烯或是硅電池? 鋰離子電池最大的問題之一是石墨負極上能夠儲存多少電荷。當電池充電時,鋰嵌入到石墨中,放電時再被移除。然而,石墨的低容量導致負極只能存儲大約150 mAh/g(取決于正極的類型)。 研究人員一直在研究硅負極,試圖將容量提高到前十年最佳容量的十倍,但進展一直受到兩個因素的阻礙。 1.循環壽命差:伴隨著吸收和釋放鋰離子,硅的體積變化高達400%,在循環過程中往往會產生粉碎性的破壞。這又導致電接觸的損耗,甚至是硅顆粒和電極涂層的解體。 2.生產成本高:相比于石墨而言,大多數用于生產硅基負極的工藝都是使用昂貴的化學試劑、奇特的合成方法、或者是通常不適于批量生產的資本密集型工藝。 石墨烯籠子套住不穩定的硅 解決這一問題的方法之一就是將硅裝入富勒烯、納米管或納米線籠子里。目前,XG Sciences和加利福利亞Lithium Battery等公司正在開發石墨烯涂層硅,或者稱之為"硅-石墨烯納米復合負極材料"。 由于石墨烯納米片(GNP)相對較短,并相互堆疊,使得涂層可滲透電解質,有助于捕獲電活性顆粒。GNP層可容納電化學循環過程中電活性顆粒的膨脹和收縮,而無電接觸損耗或復合材料的機械降解。 電動汽車是高密度、快速充電電池的又一大需求市場。圖片來源:Tesla(特斯拉)汽車公司 這不是又一個"更好電池"的商業計劃 當一種電池替代技術提出時,我通常的反應都是先運行一段時間看看。因為任何類型電池的構建都是一個復雜的過程,又有誰知道有多少公司為了生產高性能且可靠的電池,付出了比石墨烯多得多呢。然而,公司提供的,哪怕僅僅在價值鏈上前進了一丁點,也絕對是值得一看的。 石墨烯超級電容器 另一種方法就是徹底忘記電池,而采用不同的方式儲存能量。雖然電容器甚至是超級電容器并非什么新的概念,但是二維材料的導電性以及高的比表面積,使得石墨烯成為一種潛在的競爭者,至少從理論上講是如此。 超級電容器和電子器件中的電容器最主要的不同在于,超級電容器不依賴兩個電極間的電介質。因此,電容器分離電荷,而超級電容器通過吸附在電極材料上的離子雙電層儲存能量。超級電容器中的電化學雙層大約比電容器電介質薄1000倍。 很有挑戰性。利用目前優化的技術,使用活性碳,很容易將比表面積提高到1500m2/g。最佳的碳電極比表面積已經達到3000m2/g。但是,迄今為止,最好的石墨烯也只有1500m2/g的比表面積。 限制的因素在于還沒有能力生產適用于超級電容器的石墨烯。通常的生產方法會使得薄膜緊緊的粘在一起、比表面積減小,導致材料難以加工。有望取得突破的是由韓國研究人員開發的稱之為"pom poms"的石墨烯制備方法。 超級電容器在能量儲存方面的應用最吸引人的地方在于,它能夠達到鋰離子電池或鉛酸電池完全無法承受的非常高的充放電速率。這可用于開發釋放能量迅速的能量儲存,如電動汽車的動力能源載體,或者是那些需要快速放電的應用,如為電動汽車或電動工具提供啟動動力。 使用石墨烯基超級電容器的Zap&Go充電器,可在5分鐘內為智能手機充電。 最快速的手機充電方式 雖然大多數的應用仍然停留在理論上,等待開發完滿的石墨烯材料,但是已有一些公司采用混合的方法加以利用。比如Zap&Go公司,最近籌集了不止十萬美元用于Indiegogo上,開發一種可快速為手機和其他電子設備充電的裝置。 為了弄明白鋰離子電池充電速率的根本限制因素,Zap&Go充電器結合了插到電源插座上就可快速充電的超級電容器和儲存能量且為移動設備充電很慢的電池。雖然它不能在數秒內為你的手機充電,但這仍是一個巨大的改進,對于攜帶這種便攜式電池包的"馬路勇士"來說,它充電需要12小時。 競爭對手眾多 能量儲存領域的問題是存在廣泛的競爭技術,都還在不同的技術儲備期。能量可以以非電的形式儲存,其中最有效的就是將水抽到大壩后面的山上,接著當需要能量時,讓水通過渦輪。另外還有化學儲存、機械儲存(飛輪等)、生物儲存,以及相變材料。 這似乎不大可能會有"一刀切"的解決方案,因而市場總是特別分散。完全有理由假設石墨烯將扮演重要角色,不論是在電池負極還是超級電容器方面,但在能量儲存方面仍然需要大量的研究,現在哪怕有一丁點可用的技術,都將激發蘋果(Apple)和特斯拉(Tesla)公司。

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