关于石 墨烯电池的诞生、发展和应用。

2018-07-05 16:10百度

一、发展前景

  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,而电池产业正处于和传统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。[1]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,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。
石墨烯电池
  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。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。而只需要常见的,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。
  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。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。
重庆绿 色智能技术研究院的研究人员在展示单层石墨烯产品的超强透光性和柔性。
  由于石 墨烯拥有超乎想像的导电能力,石墨烯 电池概念成为突破电池技术瓶颈的救命稻草。尤其国 内电动汽车行业但凡有技术突破都与石墨烯电池挂钩。[2]公司(一家以 工业规模生产石墨烯的公司)同西班 牙科尔瓦多大学合作研究出首例石墨烯聚合材料电池,其储电 量是市场最好产品的三倍,用此电 池提供电力的电动车最多能行驶1000公里,而其充电时间不到8分钟。虽然此 电池具有各种优良的性能,但其成本并不高。公司相关负责人称,此电池 的成本将比锂电池低77%,完全在 消费者承受范围之内。此外,在汽车 燃料电池等领域,石墨烯 还有望带来革命性进步。

  华为石 墨烯基电池的突破主要来自三个方面,首先是 在电解液中加入特殊添加剂,除去痕量水,避免电 解液的高温分解,其次,电池正 极选用改性的大单晶三元材料,提高材料的热稳定性;此外,由于采 用新型材料石墨烯,可实现 锂离子电池与环境间的高效散热[5]电池利 用环境热量自行充电的试验。

  实验制 成电路其中包含,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。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,就可以得到这个图片。
  徐子涵和同事说,这里发生情况就是具有双重正电荷,穿过溶 液的速度约每秒300米,因为溶 液在室温下的热能量。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。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。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 要赶在别人做出严肃声明之前公开。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”。[1]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,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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