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納米材料,特別是石墨烯,在能量儲(chǔ)存領(lǐng)域已經(jīng)引起了極大的關(guān)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(chǔ)存大量的電荷,因此科學(xué)家對制備石墨烯基超級(jí)電容器和用于鋰離子電池的石墨烯負(fù)極表現(xiàn)出了相當(dāng)大的興奮。
可穿戴設(shè)備(如AppleWatch)將刺激能儲(chǔ)存更多能量的致密電池的需求。圖片來源:Apple
石墨烯或是硅電池?
鋰離子電池zui大的問題之一是石墨負(fù)極上能夠儲(chǔ)存多少電荷。當(dāng)電池充電時(shí),鋰嵌入到石墨中,放電時(shí)再被移除。然而,石墨的低容量導(dǎo)致負(fù)極只能存儲(chǔ)大約150mAh/g(取決于正極的類型)。
研究人員一直在研究硅負(fù)極,試圖將容量提高到*年*容量的十倍,但進(jìn)展一直受到兩個(gè)因素的阻礙。
1.循環(huán)壽命差:伴隨著吸收和釋放鋰離子,硅的體積變化高達(dá)400%,在循環(huán)過程中往往會(huì)產(chǎn)生粉碎性的破壞。這又導(dǎo)致電接觸的損耗,甚至是硅顆粒和電極涂層的解體。
2.生產(chǎn)成本高:相比于石墨而言,大多數(shù)用于生產(chǎn)硅基負(fù)極的工藝都是使用昂貴的化學(xué)試劑、奇特的合成方法、或者是通常不適于批量生產(chǎn)的資本密集型工藝。
石墨烯籠子套住不穩(wěn)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,XGSciences和加利福利亞LithiumBattery等公司正在開發(fā)石墨烯涂層硅,或者稱之為“硅-石墨烯納米復(fù)合負(fù)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(zhì),有助于捕獲電活性顆粒。GNP層可容納電化學(xué)循環(huán)過程中電活性顆粒的膨脹和收縮,而無電接觸損耗或復(fù)合材料的機(jī)械降解。
電動(dòng)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(gè)“更好電池”的商業(yè)計(jì)劃
當(dāng)一種電池替代技術(shù)提出時(shí),我通常的反應(yīng)都是先運(yùn)行一段時(shí)間看看。因?yàn)槿魏晤愋碗姵氐臉?gòu)建都是一個(gè)復(fù)雜的過程,又有誰知道有多少公司為了生產(chǎn)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(jià)值鏈上前進(jìn)了一丁點(diǎn),也是值得一看的。
石墨烯超級(jí)電容器
另一種方法就是*忘記電池,而采用不同的方式儲(chǔ)存能量。雖然電容器甚至是超級(jí)電容器并非什么新的概念,但是二維材料的導(dǎo)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(jí)電容器和電子器件中的電容器zui主要的不同在于,超級(jí)電容器不依賴兩個(gè)電極間的電介質(zhì)。因此,電容器分離電荷,而超級(jí)電容器通過吸附在電極材料上的離子雙電層儲(chǔ)存能量。超級(jí)電容器中的電化學(xué)雙層大約比電容器電介質(zhì)薄1000倍。
很有挑戰(zhàn)性。利用目前優(yōu)化的技術(shù),使用活性碳,很容易將比表面積提高到1500m2/g。*的碳電極比表面積已經(jīng)達(dá)到3000m2/g。但是,迄今為止,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(chǎn)適用于超級(jí)電容器的石墨烯。通常的生產(chǎn)方法會(huì)使得薄膜緊緊的粘在一起、比表面積減小,導(dǎo)致材料難以加工。有望取得突破的是由韓國研究人員開發(fā)的稱之為“pompoms”的石墨烯制備方法。
超級(jí)電容器在能量儲(chǔ)存方面的應(yīng)用zui吸引人的地方在于,它能夠達(dá)到鋰離子電池或鉛酸電池*無法承受的非常高的充放電速率。這可用于開發(fā)釋放能量迅速的能量儲(chǔ)存,如電動(dòng)汽車的動(dòng)力能源載體,或者是那些需要快速放電的應(yīng)用,如為電動(dòng)汽車或電動(dòng)工具提供啟動(dòng)動(dòng)力。
使用石墨烯基超級(jí)電容器的Zap&Go充電器,可在5分鐘內(nèi)為智能手機(jī)充電。
zui快速的手機(jī)充電方式
雖然大多數(shù)的應(yīng)用仍然停留在理論上,等待開發(fā)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,zui近籌集了不止十萬美元用于Indiegogo上,開發(fā)一種可快速為手機(jī)和其他電子設(shè)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(jié)合了插到電源插座上就可快速充電的超級(jí)電容器和儲(chǔ)存能量且為移動(dòng)設(shè)備充電很慢的電池。雖然它不能在數(shù)秒內(nèi)為你的手機(jī)充電,但這仍是一個(gè)巨大的改進(jìn),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(shí)。
競爭對手眾多
能量儲(chǔ)存領(lǐng)域的問題是存在廣泛的競爭技術(shù),都還在不同的技術(shù)儲(chǔ)備期。能量可以以非電的形式儲(chǔ)存,其中zui有效的就是將水抽到大壩后面的山上,接著當(dāng)需要能量時(shí),讓水通過渦輪。另外還有化學(xué)儲(chǔ)存、機(jī)械儲(chǔ)存(飛輪等)、生物儲(chǔ)存,以及相變材料。
這似乎不大可能會(huì)有“一刀切”的解決方案,因而市場總是特別分散。*有理由假設(shè)石墨烯將扮演重要角色,不論是在電池負(fù)極還是超級(jí)電容器方面,但在能量儲(chǔ)存方面仍然需要大量的研究,現(xiàn)在哪怕有一丁點(diǎn)可用的技術(shù),都將激發(fā)蘋果(Apple)和特斯拉(Tesla)公司。
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