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简析石墨烯电池
信息来源:武汉万贯国际|官网新能源科技有限公司 发布时间:2018-09-20 11:50 浏览次数:

  记得在2017年华为发布mate9之前,有诸多媒体在报道华为已经成功的研发了石墨烯电池,并会在不远的将来使用到手机和汽车上去。这次,与大家一起分享拥有无限可能性的石墨烯电池。

  石墨烯电池,利用锂离子在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性,开发出的一种新能源电池。

  美国俄亥俄州的Nanotek仪器公司利用锂离子在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性,开发出一种新的电池。这种新的电池可把数小时的充电时间压缩至短短不到一分钟。分析人士认为,未来一分钟快充石墨烯电池实现产业化后,将带来电池产业的变革,从而也促使新能源汽车产业的革新。

  1发明历程 石墨烯电池,利用锂电池在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性,开发出的一种新能源电池。

  美国俄亥俄州的Nanotek仪器公司利用锂电池在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性,开发出一种新的电池。这种新的电池可把数小时的充电时间压缩至短短不到一分钟。分析人士认为,未来一分钟快充石墨烯电池实现产业化后,将带来电池产业的变革,从而也促使新能源汽车产业的革新。

  目前,作为导电性、机械性能都很优异的材料,素来有“黑金子”之称的石墨烯目前在中国市场上的价格近十倍于黄金,超过2000元/克。

  新型石墨烯 电池实验 阶段的成功,无疑将成为电池产业的一个新的发展点。电池技术是电动汽车大力推广和发展的最大门槛,而目前的电池产业正处于铅酸电池和传统锂电池发展均遇瓶颈的阶段,石墨烯储能设备的研制成功后,若能批量生产,则将为电池产业乃至电动车产业带来新的变革。

  2应用 随着批量化生产以及大尺寸等难题的逐步突破,石墨烯的产业化应用步伐正在加快,基于目前已有的研究成果,最先实现商业化应用的领域可能会是移动设备、航空航天、新能源电池领域。

  消费电子展上可弯曲屏幕备受瞩目,成为未来移动设备显示屏的发展趋势。柔性显示未来市场广阔,作为基础材料的石墨烯前景也被看好。有数据显示2013年全球对手机触摸屏的需求量大概在9.65亿片。到2015年,平板电脑对大尺寸触摸屏的需求也将达到2.3亿片,为石墨烯的应用提供了广阔的市场。韩国三星公司的研究人员也已制造出由多层石墨烯等材料组成的透明可弯曲显示屏,相信大规模商用指日可待。

  另一方面,新能源电池也是石墨烯最早商用的一大重要领域。之前美国麻省理工学院已成功研制出表面附有石墨烯纳米图层的柔性光伏电池板,可极大降低制造透明可变形太阳能电池的成本,这种电池有可能在夜视镜、相机等小型数码设备中应用。另外,石墨烯超级电池的成功研发,也解决了新能源汽车电池的容量不足以及充电时间长的问题,极大加速了新能源电池产业的发展。这一系列的研究成果为石墨烯在新能源电池行业的应用铺就了道路。

  由于高导电性、高强度、超轻薄等特性,石墨烯在航天军工领域的应用优势也是极为突出的。前不久美国NASA开发出应用于航天领域的石墨烯传感器,就能很好的对地球高空大气层的微量元素、航天器上的结构性缺陷等进行检测。而石墨烯在超轻型飞机材料等潜在应用上也将发挥更重要的作用。

  3充电试验 这是一个有趣的创意,用于制作电池。水溶液中离子的热运动是巨大的,室温下达每秒几百米。但很少有人研究这一过程,也没有人研究它可能产生电流。进行这一研究的徐子涵(Zihan Xu)是香港理工大学(Hong Kong Polytechnic University)的,他和几个同伴不仅研究这个过程,而且似乎也掌握了。

  石墨烯电池在饱和氯化铜溶液中,时间(小时、天数)和产生电压的关系。

  这些家伙已经制成电路,其中包含LED,用电线连接到带状石墨烯。他们只是把石墨烯放在氯化铜(copper chloride)溶液中,进行观察。果然,LED灯亮了。实际上,他们需要6个石墨烯电路,形成串联,这样就可产生所需的2V,使LED灯发亮。

  徐子涵和同事说,这里发生情况就是这样。铜离子具有双重正电荷,穿过溶液的速度约每秒300米,这是因为溶液在室温下的热能量。当离子猛烈撞入石墨烯带时,碰撞会产生足够的能量,使不在原位的电子离开石墨烯。这些电子有两种选择:可以离开石墨烯带,和铜离子结合,也可以穿过石墨烯,进入电路。

  原来,流动的电子在石墨烯中更快,超过它穿过溶液的速度,所以电子自然会选择路径,穿过电路。正是这一点点亮了LED灯“释放的电子更倾向于穿过石墨烯表面,而不是进入电解液。我们的设备就是这样产生电压的,”徐子涵说。

  因此,这个装置产生的能量来自周围环境的热量。这些家伙说,他们可以提高电流,只需加热溶液,也可用超声波加快铜离子。他们甚至声称,只依靠周围热量,就可以使他们的石墨烯电池持续运行20天。但是,还有一个重要的问号。另一个假设是某种化学反应产生电流,就像普通的电池。

  然而,徐子涵和同事说,他们排除了这一点,因为进行了几组控制实验。然而,这些是在一些补充材料中介绍的,他们似乎并没有放在arXiv网站上。他们需要公开这些,要赶在别人做出严肃声明之前。从表面价值来看,这看起来是一项非常重要的成果。其他人也在石墨烯中产生过电流,但只是让水流过它,所以这并不真的使人吃惊,移动的离子也可以产生这样的效果。这预示着清洁的绿色电池,只依靠环境热量驱动。徐子涵和同事说:“这代表着一个巨大的突破,研究的是自驱动技术”。

  4优点 石墨烯是目前发现的最薄、最坚硬、导电导热性能最强的一种新型纳米材料。石墨烯被称为“黑金”,是“新材料之王”,科学家甚至预言石墨烯将“彻底改变21世纪。” 有趣的是,石墨烯诞生并没有使用“高大上”的科学技术,而是由英国曼彻斯特大学的两位科学家用透明胶带从石墨晶体上“粘”出来的。

  石墨烯目前最有潜力的是成为硅的替代品,制造超微型晶体管,用来生产未来的超级计算机。据相关专家分析,用石墨烯取代硅,计算机处理器的运行速度将会快数百倍。而近日,美国麻省理工学院的科学家通过研究发现,在特定情况下,石墨烯能够被转化成具有独特功能的拓扑绝缘体。这一研究发现,有望带来一种制造量子计算机的新方法。

  其次,石墨烯能助力超级电容器、锂离子电池的发展。据相关资料显示,加入石墨烯材料,同等体积的电容可扩充5倍以上的容量,而锂电池电极中加入石墨烯则可大幅度提高其导电性能。此外,石墨烯还可应用于电路、触摸屏、基因测序以及制造出羽翼般超轻型飞机、超坚韧防弹衣等领域。