石墨烯电池原理 《石墨烯电池工作原理》

2018-07-16 - 石墨烯电池

摘要 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”“新材料之王”是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。其具有高比表面积有利于产生高能量密度,超高导电性有利于保持高功率密度以及化学结构丰富有利于引入赝电容,提高能量密度等优秀性能。

石墨烯电池原理 《石墨烯电池工作原理》
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关键词:石墨烯 新能源电池 高能量密度

1. 原理

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。实验制成电路其中包含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溶液中,进行观察。LED 灯亮了,这里发生情况就是铜离子具有双重正电荷,穿过溶液的速度约每秒300米,因为溶液在室温下的热能量。

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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。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。设备就是这样产生电压的,因此,这个装置产生的能量来自周围环境的热量。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。只依靠周

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围热量,就可以使他们的石墨烯电池持续

运行20天。另一个假设是某种化学反应

产生电流,就像普通的电池。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

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的绿色电池,只依靠环境热量驱动。

2. 电池优点

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。”与传统电极材料相比,石墨烯有四大突出优势:其一,高比表面积有利于产生高能量密度;第二,超高导电性有利于保持高功率密度;第三,化学结构丰富有利于引入赝电容,提高能量密度;第四,特殊的电子结构有利于优化结构与性能关系。

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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。

实现车辆轻量化,现有的电动汽车的较长续驶里程往往是通过堆砌电池来实现的。车辆搭载数百公斤甚至半吨重的动力电池,如同顶着磨盘跳舞——自身受罪不说,戏还不好看。牺牲了有限的空间、增大了消费者对车辆安全性和充电便利性的担心、抬高了车辆价格,得不偿失。

石墨烯纳米材料厚度薄、硬度高、韧性好、重量轻、导电性佳、透明特好,有希望广泛应用于锂离子电池、超级电容器、太阳能电池、生物质材料、传感器、超高频电子、光电子设备、药物载体,以及用作触摸屏、液晶显示屏、保护膜、选择性过滤渗透膜以及替代半导体晶硅等。

正因如此,2004年通过机械剥离法获得世界上首批石墨烯的两位科学家,荣获了2010年诺贝尔物理学奖。应用石墨烯材料制成的新型电池,尺寸和重量均将变小,而且能量储存密度得到了数十倍的提高,提高了车辆的行驶效率。更重要的是,它大大缩短了充电时间,方便了消费者。

减少充电时间,横空出世的石墨烯,使得长期以来,困扰业界人士的动力电池充电的瓶颈问题迎刃而解。电池的充电时间,从以前的小时为单位,一下子变为以分钟甚至以秒为单位。使得电动汽车的充电,几乎可以与传统汽车的加油快

捷性相媲美,甚至过之而无不及。去年韩国科学家宣布其研制的多孔石墨烯超级电容,在储存电量相同的前提下,充电时间令人咂舌的缩短到了仅仅16秒。

3. 发展现状

正是看到了石墨烯的应用前景,许多国家纷纷建立石墨烯相关技术研发中心,尝试使用石墨烯商业化,进而在工业、技术和电子相关领域获得潜在的应用专利。欧盟委员会将石墨烯作为“未来新兴旗舰技术项目”,设立专项研发计划,未来10年内拨出10亿欧元经费。英国政府也投资建立国家石墨烯研究所(NGI),力图使这种材料在未来几十年里可以从实验室进入生产线和市场。

中国在石墨烯研究上也具有独特的优势,从生产角度看,作为石墨烯生产原料的石墨,在我国储能丰富,价格低廉。另外,批量化生产和大尺寸生产是阻碍石墨烯大规模商用的最主要因素。而我国最新的研究成果已成功突破这两大难题,制造成本已从5000元/克降至3元/克,解决了这种材料的量产难题。

利用化学气相沉积法成功制造出了国内首片15英寸的单层石墨烯,并成功地将石墨烯透明电极应用于电阻触摸屏上,制备出了7英寸石墨烯触摸屏。

另外最近中科院上海硅酸盐所科学家成功研制出一种高性能超级电容器电极材料——氮掺杂有序介孔石墨烯。该材料具有极佳的电化学储能特性,可用作电动车的“超强电池”:充电只需7秒钟,即可续航35公里。相关研究成果已于2015年12月18日发表在期刊《科学》上。

京津冀石墨烯产业发展联盟于2015年12月20日在京成立,未来将形成以河北唐山为中心,跨越京津冀等地区,包括生产、研发、检验检测、融资服务等为一体的石墨烯产业集群。预计到2017年底将实现20亿元以上的年产值,利税达到4亿元以上。前国务院参事石定寰表示,目前全球石墨烯产业尚处于技术概念期,全球石墨烯行业标准尚未制定,这对于国内石墨烯行业来说是一个挑战,同时也是一个机遇。

4. 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。

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。

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。

由于其独有的特性,石墨烯被称为" 神奇材料" ,科学家甚至预言其将" 彻底改变21世纪" 。曼彻斯特大学副校长Colin Bailey 教授称:"石墨烯有可能彻底改变数量庞大的各种应用,从智能手机和超高速宽带到药物输送和计算机芯片。

" 最近美国加州大学洛杉矶分校的研究人员就开发出一种以石墨烯为基础的微型超级电容器,该电容器不仅外形小巧,而且充电速度为普通电池的1000倍,可以在数秒内为手机甚至汽车充电,同时可用于制造体积较小的器件。

微型石墨烯超级电容技术突破可以说是给电池带来了革命性发展。目前主要制造微型电容器的方法是平板印刷技术,需要投入大量的人力和成本,阻碍了产品的商业应用。而现在只需要常见的DVD 刻录机,甚至是在家里,利用廉价材料30分钟就可以在一个光盘上制造100多个微型石墨烯超级电容。

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。

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