超級(jí)電池是美�(guó)科學(xué)家研制的一種新型電池,它們被稱為微型石墨烯超�(jí)電容,其充電和放電速度比普通電池快1000�,并能夠存儲(chǔ)比普通電池大幾十倍的電能。超�(jí)電池采用單原子厚度的碳層�(gòu)�,這項(xiàng)技�(shù)能夠在最短時(shí)間內(nèi)�(duì)手機(jī)和汽車快速充�,能夠很容易制造并整合成為器件,未�(lái)有望制造更小的手機(jī)�
超級(jí)電池是美�(guó)科學(xué)家研制的一種新型電池,它們被稱為微型石墨烯超�(jí)電容,其充電和放電速度比普通電池快1000��
超級(jí)電池采用單原子厚度的碳層�(gòu)成,這項(xiàng)技�(shù)能夠在最短時(shí)間內(nèi)�(duì)手機(jī)和汽車快速充�,能夠很容易制造并整合成為器件,未�(lái)有望制造更小的手機(jī)�
為了研制這種微型超級(jí)電池,研究人員使用二維石墨烯�,在第三維立體層面其厚度僅有單�(gè)原子�
由于制造微型超�(jí)電容的傳�(tǒng)方法涉及到密集型光刻技�(shù),被證實(shí)很難制造成本低廉的器件,因此在商業(yè)�(yīng)用領(lǐng)域受限�
但是,研究人員基于適用于大眾的光速寫(xiě)DVD燒錄技�(shù),可以僅用部分傳�(tǒng)裝置成本制造出石墨烯微型超�(jí)電容�
使用這種技�(shù),利用廉�(jià)材料僅不�30分鐘在一�(gè)光盤(pán)上制�100多�(gè)微型超級(jí)電池�
為了使超�(jí)電池更具有效性,兩�(gè)分離電極的放置方式必須使其表面積化,這將使超�(jí)電池能夠存儲(chǔ)更多電能�
�(guò)去的微型電池是多層石墨烯堆疊在一起作為電極,像三明治面包�。但在超�(jí)電池中,研究人員使用叉合模型(類似于互相交織的手指)將電極并排放在一�。這有助于�(shí)�(xiàn)兩�(gè)電極表面積的化,盡管這同�(shí)也會(huì)減少電解液中離子需要擴(kuò)散的路徑�
超級(jí)電池能夠存儲(chǔ)更多的電�,更快地完成充電。研究人員表�,人們未�(lái)可能在家中完成這種超級(jí)電池的制��
但美�(guó)加州洛杉磯大�(xué)材料科學(xué)和工程系教授理查�-卡恩表示,集合電子電路的能量存儲(chǔ)單元的設(shè)�(jì)制造存在著挑戰(zhàn)�
生活�,電池容量不足時(shí)常困擾著電動(dòng)車和智能手機(jī)用戶。性能�(wěn)定、價(jià)格合理的超級(jí)電池是人類多年來(lái)追尋的夢(mèng)�?,F(xiàn)階段人們對(duì)超級(jí)電池的形象描述可概括為:一次充�,可以讓電動(dòng)汽車行駛1000公里,讓智能手機(jī)玩一周,充電�(shí)間能控制在幾分鐘�(nèi),可�(wú)線充�。這種超級(jí)電池的市�(chǎng)�(guī)模不低于1�(wàn)億美元。當(dāng)�,美�(guó)、中�(guó)、日本和韓國(guó)都在沖刺超級(jí)電池�
目前常用的鋰離子電池1991年才�(kāi)始商�(yè)�,主要有鈷酸鋰、磷酸鐵鋰和錳酸�3種類�。鈷酸鋰電池能量密度,但高溫下不�(wěn)�,其他兩種能量密度不�??沙潆婋姵氐牡谖宕a(chǎn)品——鋰金屬電池誕生�1996�,在安全�、比容量、自放電率和性能�(jià)格比方面,均�(yōu)于鋰離子電池。但距離超級(jí)電池的要�,還有較大差��
石墨烯有望引�(fā)電池新突破�2004年誕生的石墨�,其特點(diǎn)是具有良好的�(dǎo)電導(dǎo)熱性能:作為電�(dǎo)體,其導(dǎo)電性可與金屬銅媲美;作為熱�(dǎo)體,它是�(xiàn)有材料中�,更難能可貴的是,這種材料在很薄的�(shí)�,仍有很高的硬度。石墨烯已被各大工業(yè)�(guó)列為重要材料�(jìn)行深度開(kāi)�(fā)。目�,石墨烯�(yīng)用于電池上的研究基本上有3�(gè)方向�
一是以石墨烯形成全新體系電�。就是說(shuō)以石墨烯制造一�(gè)全新體系的電�,在性能上是顛覆性的,稱作“超�(jí)電池”。使用這種材料制作的電�,能量密度超�(guò)600wh/kg,是目前�(dòng)力鋰電池�5�,一次充電時(shí)間只需8分鐘,可行駛1000公里;電池重量只有鋰離子電池的一�,體積也�(huì)大幅縮小,減輕使用該電池汽車的自身重�;電池的使用壽命更長(zhǎng),是傳統(tǒng)氫化電池�4�,鋰電池�2�;其成本將比目前鋰電池降�77%。這些物理參數(shù)都符合超�(jí)電池的要��
二是以石墨烯�(qiáng)化現(xiàn)有電池性能。將石墨烯運(yùn)用到�(xiàn)有電池上,改�(jìn)提升鋰電池、太�(yáng)能電池等電池性能,力圖達(dá)到超�(jí)電池的性能。對(duì)于那些已投巨資建�(shè)鋰電池工廠的企業(yè),短期內(nèi)很難再投資開(kāi)�(fā)一種全新電�,利用石墨烯的特性來(lái)提升�(xiàn)有鋰電池性能,或許更為現(xiàn)�(shí)。就石墨烯屬性來(lái)�(shuō),作為最�、最�(jiān)硬、導(dǎo)電性良好且擁有�(qiáng)大靈活性的納米材料,石墨烯可廣泛應(yīng)用于鋰離子電池、超�(jí)電容器及太陽(yáng)能電池等�(chǔ)能產(chǎn)品中。石墨烯的特殊結(jié)�(gòu)決定其可以提升電池中的鋰離子獲得高速率通道的性能,可以幫助鋰電池技�(shù)突破�(zhǎng)期難以逾越的障�。目前,以石墨烯和硅為原料研�(fā)的手�(jī)電池,每次充電僅需15分鐘,便可讓手機(jī)�(yùn)行一��
三是以石墨烯催化燃料電池性能。用特制的石墨烯材料替代鉑作為催化劑,來(lái)制造燃料電池所需的氫燃料。燃料電池是將燃料具有的化學(xué)能直接變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電裝�。與其他電池相比,具有能量轉(zhuǎn)化效率高、無(wú)�(huán)境污染等�(yōu)�(diǎn)?!百|(zhì)子傳�(dǎo)薄膜”是燃料電池技�(shù)的核心部�?,F(xiàn)有的�(zhì)子薄膜上常存在燃料泄漏,因而降低了電池有效�。但�(zhì)子可以較為容易地“穿越”石墨烯等二維材�,而其他物�(zhì)則很難穿越,這就可以解決燃料滲透的�(wèn)�,從而增�(qiáng)電池的性能�
石墨烯技�(shù)的應(yīng)用至今仍處于初級(jí)階段,尤其是能讓電池體積和重量大幅縮小的單層石墨烯材�,成品率�,生�(chǎn)成本高,成為石墨烯電池難以產(chǎn)�(yè)化的重要成因。因而,通過(guò)�(jìn)一步創(chuàng)�,完善技�(shù)工藝,降低生�(chǎn)成本,是今后石墨烯電池發(fā)展的�(guān)鍵。目�,我�(guó)在石墨烯研發(fā)及應(yīng)用上走在世界前列,已有多款石墨烯電池和石墨烯鋰硫電池取得了突破性�(jìn)��
�(dāng)�,全球在電池�(lǐng)域的研發(fā)不僅限于石墨�,日本就在研�(fā)利用鎂生�(chǎn)性能更高、成本更低的蓄電�;瑞典正在研究利用碳纖維�(lái)提高鋰電池的性能。但這些新技�(shù)要真正實(shí)用化,甚至形成巨大的�(chǎn)�(yè),還需要經(jīng)�(guò)市場(chǎng)的洗禮�
總之,尋找超�(jí)電池的過(guò)程,是科技�(chuàng)新的�(guò)�,也是產(chǎn)�(yè)�(jié)�(gòu)�(yōu)化的�(guò)�。以石墨烯為代表的超�(jí)電池�(shí)�(xiàn)突破之日,將是包括新型自�(dòng)駕駛飛機(jī)、電�(dòng)汽車、手�(jī)、電腦等一切靠電力�(qū)�(dòng)�(shè)備變革之�(shí),對(duì)多�(gè)行業(yè)將具有顛覆性意�,必將為人類生活翻開(kāi)新的一�(yè)�
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