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石墨烯電�
閱讀�4469�(shí)間:2017-10-19 10:30:01

    石墨�電池,利用鋰離子在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運(yùn)�(dòng)的特�,開(kāi)�(fā)出的一種新能源電池。石墨烯電池在飽和氯化銅溶液�,時(shí)�(小時(shí)、天�(shù))和產(chǎn)生電壓的�(guān)��
    美國(guó)俄亥俄州的Nanotek儀器公司利用鋰離子在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運(yùn)�(dòng)的特�,開(kāi)�(fā)出一種新的電�。這種新的電池可把�(shù)小時(shí)的充電時(shí)間壓縮至短短不到一分鐘。分析人士認(rèn)�,未�(lái)一分鐘快充石墨烯電池實(shí)�(xiàn)�(chǎn)�(yè)化后,將帶來(lái)電池�(chǎn)�(yè)的變革,從而也促使新能源汽�(chē)�(chǎn)�(yè)的革��

�(fā)展前�

    新型石墨烯電池實(shí)�(yàn)階段的成功,�(wú)疑將成為電池�(chǎn)�(yè)的一�(gè)新的�(fā)展點(diǎn)。電池技�(shù)是電�(dòng)汽車(chē)大力推廣和發(fā)展的門(mén)�,而目前的電池�(chǎn)�(yè)正處于鉛酸電池和傳統(tǒng)鋰電池發(fā)展均遇瓶頸的階段,石墨烯�(chǔ)能設(shè)備的研制成功�,若能批量生�(chǎn),則將為電池�(chǎn)�(yè)乃至電動(dòng)�(chē)�(chǎn)�(yè)帶來(lái)新的變革�
    由于其獨(dú)有的特�,石墨烯被稱(chēng)為“神奇材料�,科�(xué)家甚至預(yù)言其將“徹底改�21世紀(jì)�。曼徹斯特大�(xué)副校�(zhǎng)Colin Bailey教授�(chēng):“石墨烯有可能徹底改變數(shù)量龐大的各種�(yīng)�,從智能手機(jī)和超高速寬帶到藥物輸送和�(jì)算機(jī)芯片?�?BR>    最近美�(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校的研究人員就開(kāi)�(fā)出一種以石墨烯為基礎(chǔ)的微型超�(jí)電容�,該電容器不僅外形小巧,而且充電速度為普通電池的1000�,可以在�(shù)秒內(nèi)為手�(jī)甚至汽車(chē)充電,同�(shí)可用于制造體積較小的器件�
    石墨烯電�
    微型石墨烯超�(jí)電容技�(shù)突破可以�(shuō)是給電池帶來(lái)了革命性發(fā)�。目前主要制造微型電容器的方法是平板印刷技�(shù),需要投入大量的人力和成�,阻礙了�(chǎn)品的商業(yè)�(yīng)用。而現(xiàn)在只需要常�(jiàn)的DVD刻錄�(jī),甚至是在家里,利用廉價(jià)材料30分鐘就可以在一�(gè)光盤(pán)上制�100多�(gè)微型石墨烯超�(jí)電容�
    正是看到了石墨烯的應(yīng)用前景,許多�(guó)家紛紛建立石墨烯相關(guān)技�(shù)研發(fā)中心,嘗試使用石墨烯商業(yè)�,�(jìn)而在工業(yè)、技�(shù)和電子相�(guān)�(lǐng)域獲得潛在的�(yīng)用專(zhuān)�。歐盟委員會(huì)將石墨烯作為“未�(lái)新興旗艦技�(shù)�(xiàng)目�,設(shè)立專(zhuān)�(xiàng)研發(fā)�(jì)劃,未來(lái)10年內(nèi)撥出10億歐元經(jīng)�(fèi)。英�(guó)政府也投資建立國(guó)家石墨烯研究所(NGI),力圖使這種材料在未�(lái)幾十年里可以從實(shí)�(yàn)室�(jìn)入生�(chǎn)�(xiàn)和市�(chǎng)�
    中國(guó)在石墨烯研究上也具有�(dú)特的�(yōu)�(shì),從生產(chǎn)角度��
    作為石墨烯生�(chǎn)原料的石�,在我國(guó)�(chǔ)能豐�,價(jià)格低�。另外,批量化生�(chǎn)和大尺寸生產(chǎn)是阻礙石墨烯大規(guī)模商用的最主要因素。利用化�(xué)氣相沉積法成功制造出了國(guó)�(nèi)首片15英寸的單層石墨烯,并成功地將石墨烯透明電極�(yīng)用于電阻觸摸屏上,制備出�7英寸石墨烯觸摸屏�
    中科院重慶綠色智能技�(shù)研究院的研究人員在展示單層石墨烯�(chǎn)品的超強(qiáng)透光性和柔性�
    由于石墨烯擁有超乎想像的�(dǎo)電能�,石墨烯電池概念成為突破目前電池技�(shù)瓶頸的救命稻�。尤其國(guó)�(nèi)電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)但凡有技�(shù)突破都與石墨烯電池掛鉤�
    隨著研究的不斷深�,技�(shù)難題的接連攻�,應(yīng)用范圍也在不斷拓寬,相信石墨烯器件時(shí)代已為期不遠(yuǎn),現(xiàn)在也可以期待一下這一�21世紀(jì)的神奇材料”會(huì)帶來(lái)怎樣的驚��
    “石墨烯電池�?qū)⒁I(lǐng)改革:充�10分鐘�1000公里�? �(bào)道:西班牙Graphenano公司(一家以工業(yè)�(guī)模生�(chǎn)石墨烯的公司)同西班牙科爾瓦多大學(xué)合作研究出首例石墨烯聚合材料電池,其�(chǔ)電量是目前市�(chǎng)�(chǎn)品的三�,用此電池提供電力的電動(dòng)�(chē)最多能行駛1000公里,而其充電�(shí)間不�8分鐘。雖然此電池具有各種�(yōu)良的性能,但其成本并不高。Graphenano公司相關(guān)�(fù)�(zé)人稱(chēng),此電池的成本將比鋰電池�77%,完全在消費(fèi)者承受范圍之�(nèi)。此�,在汽車(chē)燃料電池等領(lǐng)域,石墨烯還有望帶來(lái)革命性�(jìn)��
    2016�12月,根據(jù)華為中央研究院瓦特實(shí)�(yàn)室發(fā)布的消息�(chēng),華為已�(jīng)在鋰離子電池�(lǐng)�?qū)崿F(xiàn)重大研究突破,將�(huì)推出�(yè)界高溫長(zhǎng)壽命石墨烯基鋰離子電�。主要特色是借助新型耐高溫技�(shù),可以將鋰離子電池上限使用溫度提�10�,而使用壽命則是普通鋰離子電池�2�。此外,華為官方人士還表示華為快充電池已�(jīng)商用,并將在本月底推出的超級(jí)快充手機(jī)�
    華為石墨烯基電池的突破主要來(lái)自三�(gè)方面,首先是在電解液中加入特殊添加劑,除去痕量水,避免電解液的高溫分解,其次,電池正極選用改性的大單晶三元材�,提高材料的熱穩(wěn)定�;此外,由于采用新型材料石墨�,可�(shí)�(xiàn)鋰離子電池與�(huán)境間的高效散�? �

原理

    石墨烯電池利用環(huán)境熱量自行充電的試驗(yàn)�
    �(shí)�(yàn)制成電路其中包含LED,用電線(xiàn)連接到帶狀石墨�。他們只是把石墨烯放在氯化銅(copper chloride)溶液�,�(jìn)行觀�。LED燈亮了。實(shí)際上,他們需�6�(gè)石墨烯電�,形成串�(lián),這樣就可�(chǎn)生所需�2V,使LED燈發(fā)�,就可以得到這�(gè)圖片�
    徐子涵和同事�(shuō),這里�(fā)生情況就是銅離子具有雙重正電�,穿�(guò)溶液的速度約每�300�,因?yàn)槿芤涸谑覝叵碌臒崮芰?�?dāng)離子猛烈撞入石墨烯帶�(shí),碰撞會(huì)�(chǎn)生足夠的能量,使不在原位的電子離�(kāi)石墨烯。電子有兩種選擇:可以離�(kāi)石墨烯帶,和銅離子結(jié)�,也可以穿過(guò)石墨�,�(jìn)入電��
    原來(lái),流�(dòng)的電子在石墨烯中更快,超�(guò)它穿�(guò)溶液的速度,所以電子自然會(huì)選擇路徑,穿�(guò)電路。正是這一�(diǎn)�(diǎn)亮了LED燈“釋放的電子更傾向于穿過(guò)石墨烯表�,而不是�(jìn)入電解液。設(shè)備就是這樣�(chǎn)生電壓的,”徐子涵�(shuō)�
    因此,這�(gè)裝置�(chǎn)生的能量�(lái)自周?chē)h(huán)境的熱量。他們可以提高電�,只需加熱溶液,也可用超聲波加快銅離子。只依靠�?chē)鸁崃浚涂梢允顾麄兊氖╇姵爻掷m(xù)�(yùn)�20�。但�,還有一�(gè)重要的問(wèn)�(hào)。另一�(gè)假設(shè)是某種化�(xué)反應(yīng)�(chǎn)生電�,就像普通的電池�
    然�,徐子涵和同事說(shuō),他們排除了這一�(diǎn),因?yàn)檫M(jìn)行了幾組控制�(shí)�(yàn)。然�,這些是在一些補(bǔ)充材料中介紹�,他們似乎并�(méi)有放在arXiv�(wǎng)站上。他們需要趕在別人做出嚴(yán)肅聲明之前公�(kāi)。從表面�(jià)值來(lái)�,這看起來(lái)是一�(xiàng)非常重要的成果。其他人也在石墨烯中�(chǎn)生過(guò)電流,但只是讓水流過(guò)它,所以這并不真的使人吃�,移�(dòng)的離子也可以�(chǎn)生這樣的效果。這預(yù)示著清潔的綠色電�,只依靠�(huán)境熱量驅(qū)�(dòng)。徐子涵和同事說(shuō):“這代表著一�(gè)巨大的突�,研究的是自�(qū)�(dòng)技�(shù)��

容量影響

    從微觀的角度看蓄電池的充放電過(guò)�,實(shí)際上是一�(gè)�(yáng)離子在電極中“鑲嵌”和“脫離”的�(guò)�。所以,如果電極材料中的孔洞越多,則這�(gè)�(guò)程�(jìn)行的越迅速。在宏觀的角度看則表�(xiàn)為蓄電池充放電的速度越快�
    石墨烯的微觀�(gòu)造,是一�(gè)由碳原子所組成的網(wǎng)狀�(jié)�(gòu)。因?yàn)榫哂袠O限的薄度(只有一層原子的厚度),所以陽(yáng)離子的移�(dòng)所受限制很小。同�(shí)正因?yàn)榫哂芯W(wǎng)狀�(jié)�(gòu),由石墨烯所制成的電極材料也擁有充分的孔��
    從這�(gè)方面�,石墨烯�(wú)疑是一種非常理想的電極材料�
    位于美國(guó)紐約州的倫斯勒理工學(xué)�(RPI,Rensselaer Polytechnic Institute)的研究者的研究表明:使用石墨烯作為電池的陽(yáng)極材�,其充放電速度將超�(guò)鋰離子蓄電池�10��

�(yīng)�

    隨著批量化生�(chǎn)以及大尺寸等難題的逐步突破,石墨烯的產(chǎn)�(yè)化應(yīng)用步伐正在加快,基于目前已有的研究成�,實(shí)�(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的�(lǐng)域可能會(huì)是移�(dòng)�(shè)�、航空航天、新能源電池�(lǐng)��
    消費(fèi)電子展上可彎曲屏幕備受矚目,成為未來(lái)移動(dòng)�(shè)備顯示屏的發(fā)展趨�(shì)。柔性顯示未�(lái)市場(chǎng)廣闊,作為基�(chǔ)材料的石墨烯前景也被看好。有�(shù)�(jù)顯示2013年全�?qū)κ謾C(jī)觸摸屏的需求量大概�9.65億片。到2015�,平板電腦對(duì)大尺寸觸摸屏的需求也將達(dá)�2.3億片,為石墨烯的�(yīng)用提供了廣闊的市�(chǎng)。韓�(guó)三星公司的研究人員也已制造出由多層石墨烯等材料組成的透明可彎曲顯示屏,相信大�(guī)模商用指日可待�
    另一方面,新能源電池也是石墨烯最早商用的一大重要領(lǐng)�。之前美�(guó)麻省理工�(xué)院已成功研制出表面附有石墨烯納米圖層的柔性光伏電池板,可極大降低制造透明可變形太�(yáng)能電池的成本,這種電池有可能在夜視�、相�(jī)等小型數(shù)碼設(shè)備中�(yīng)�。另外,石墨烯超�(jí)電池的成功研�(fā),也解決了新能源汽車(chē)電池的容量不足以及充電時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題,極大加速了新能源電池產(chǎn)�(yè)的發(fā)�。這一系列的研究成果為石墨烯在新能源電池行�(yè)的應(yīng)用鋪就了道路�
    由于高導(dǎo)電�、高�(qiáng)�、超輕薄等特�,石墨烯在航天軍工領(lǐng)域的�(yīng)用優(yōu)�(shì)也是極為突出�。前不久美國(guó)NASA�(kāi)�(fā)出應(yīng)用于航天�(lǐng)域的石墨烯傳感器,就能很好的�(duì)地球高空大氣層的微量元素、航天器上的�(jié)�(gòu)性缺陷等�(jìn)行檢�(cè)。而石墨烯在超輕型飛機(jī)材料等潛在應(yīng)用上也將�(fā)揮更重要的作��

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