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石墨烯在电池和超级电容器的应用前景

发布时间:2019-10-12 20:04:12 编辑:笔名

能量储存一直以来都是问题,随着可再生能源、电动汽车、智能手机、以及包括Apple Watch在内的可穿戴设备的出现,对于在更小体积内储存更多能量的需求越来越迫切。目前的能量密度极限使得电动汽车最多只能行驶几百英里,而智能手机的电池也很少能维持24小时。

纳米材料,特别是石墨烯,在能量储存领域已经引起了极大的关注。这种材料像许多纳米材料一样,具有很高的比表面积,意味着有能力储存大量的电荷,因此科学家对制备石墨烯基超级电容器和用于锂离子电池的石墨烯负极表现出了相当大的兴奋。

可穿戴设备(如Apple Watch)将刺激能储存更多能量的致密电池的需求。图片来源:Apple

石墨烯或是硅电池?

锂离子电池最大的问题之一是石墨负极上能够储存多少电荷。当电池充电时,锂嵌入到石墨中,放电时再被移除。然而,石墨的低容量导致负极只能存储大约150 mAh/g(取决于正极的类型)。

研究人员一直在研究硅负极,试图将容量提高到前十年最佳容量的十倍,但进展一直受到两个因素的阻碍。

1.循环寿命差:伴随着吸收和释放锂离子,硅的体积变化高达400%,在循环过程中往往会产生粉碎性的破坏。这又导致电接触的损耗,甚至是硅颗粒和电极涂层的解体。

2.生产成本高:相比于石墨而言,大多数用于生产硅基负极的工艺都是使用昂贵的化学试剂、奇特的合成方法、或者是通常不适于批量生产的资本密集型工艺。

石墨烯笼子套住不稳定的硅

解决这一问题的方法之一就是将硅装入富勒烯、纳米管或纳米线笼子里。目前,XG Sciences和加利福利亚Lithium Battery等公司正在开发石墨烯涂层硅,或者称之为“硅-石墨烯纳米复合负极材料”。

由于石墨烯纳米片(GNP)相对较短,并相互堆叠,使得涂层可渗透电解质,有助于捕获电活性颗粒。GNP层可容纳电化学循环过程中电活性颗粒的膨胀和收缩,而无电接触损耗或复合材料的机械降解。

电动汽车是高密度、快速充电电池的又一大需求市场。图片来源:Tesla(特斯拉)汽车公司

这不是又一个“更好电池”的商业计划

当一种电池替代技术提出时,我通常的反应都是先运行一段时间看看。因为任何类型电池的构建都是一个复杂的过程,又有谁知道有多少公司为了生产高性能且可靠的电池,付出了比石墨烯多得多呢。然而,公司提供的,哪怕仅仅在价值链上前进了一丁点,也绝对是值得一看的。

石墨烯超级电容器

另一种方法就是彻底忘记电池,而采用不同的方式储存能量。虽然电容器甚至是超级电容器并非什么新的概念,但是二维材料的导电性以及高的比表面积,使得石墨烯成为一种潜在的竞争者,至少从理论上讲是如此。

超级电容器和电子器件中的电容器最主要的不同在于,超级电容器不依赖两个电极间的电介质。因此,电容器分离电荷,而超级电容器通过吸附在电极材料上的离子双电层储存能量。超级电容器中的电化学双层大约比电容器电介质薄1000倍。

很有挑战性。利用目前优化的技术,使用活性碳,很容易将比表面积提高到1500m2/g。最佳的碳电极比表面积已经达到3000m2/g。但是,迄今为止,最好的石墨烯也只有1500m2/g的比表面积。

限制的因素在于还没有能力生产适用于超级电容器的石墨烯。通常的生产方法会使得薄膜紧紧的粘在一起、比表面积减小,导致材料难以加工。有望取得突破的是由韩国研究人员开发的称之为“pom poms”的石墨烯制备方法。

超级电容器在能量储存方面的应用最吸引人的地方在于,它能够达到锂离子电池或铅酸电池完全无法承受的非常高的充放电速率。这可用于开发释放能量迅速的能量储存,如电动汽车的动力能源载体,或者是那些需要快速放电的应用,如为电动汽车或电动工具提供启动动力。

使用石墨烯基超级电容器的Zap&Go充电器,可在5分钟内为智能手机充电。

最快速的手机充电方式

虽然大多数的应用仍然停留在理论上,等待开发完满的石墨烯材料,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,最近筹集了不止十万美元用于Indiegogo上,开发一种可快速为手机和其他电子设备充电的装置。

为了弄明白锂离子电池充电速率的根本限制因素,Zap&Go充电器结合了插到电源插座上就可快速充电的超级电容器和储存能量且为移动设备充电很慢的电池。虽然它不能在数秒内为你的手机充电,但这仍是一个巨大的改进,对于携带这种便携式电池包的“马路勇士”来说,它充电需要12小时。

竞争对手众多

能量储存领域的问题是存在广泛的竞争技术,都还在不同的技术储备期。能量可以以非电的形式储存,其中最有效的就是将水抽到大坝后面的山上,接着当需要能量时,让水通过涡轮。另外还有化学储存、机械储存(飞轮等)、生物储存,以及相变材料。

这似乎不大可能会有“一刀切”的解决方案,因而市场总是特别分散。完全有理由假设石墨烯将扮演重要角色,不论是在电池负极还是超级电容器方面,但在能量储存方面仍然需要大量的研究,现在哪怕有一丁点可用的技术,都将激发苹果(Apple)和特斯拉(Tesla)公司。

新材料在线编译整理—— 翻译:菠菜

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