對(duì)電動(dòng)汽車(chē) (EV) 和智能手機(jī)最常見(jiàn)的批評(píng)是充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。

為什么會(huì)有人想要駕駛一輛需要超過(guò)一分鐘的充電時(shí)間的汽車(chē)？然而，想象一下電動(dòng)汽車(chē)的電池充電速度極快且行駛里程長(zhǎng)，或者想象一部智能手機(jī)只需不到一分鐘的時(shí)間。盡管這似乎不可能，但石墨烯電池的進(jìn)步正在將這些可能性變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

鋰離子電池的衰落

? 鋰基電池因其高能量密度而被公認(rèn)為是有前途的儲(chǔ)能應(yīng)用替代品之一。這些電池為我們的電腦、智能手機(jī)甚至汽車(chē)供電。 鋰離子電池仍然存在的一個(gè)問(wèn)題是安全性。鋰離子電池內(nèi)的液體高度易燃。電池外層的任何損壞都可能導(dǎo)致短路，從而導(dǎo)致火災(zāi)和爆炸。例如，2016 年，智能手機(jī)的突然爆發(fā)導(dǎo)致全球數(shù)名用戶(hù)遭受一級(jí)燒傷。 在過(guò)去的幾年里，電動(dòng)汽車(chē)中使用的鋰離子電池已經(jīng)獲得了廣泛的冷卻系統(tǒng)。然而，這種冷卻系統(tǒng)占用了大量可用于儲(chǔ)能的空間。 鋰離子電池的另一個(gè)問(wèn)題是可回收性。鋰離子電池中的大部分部件都不具有生物相容性，使得可回收過(guò)程非常昂貴。 最后，電池的功率密度低。以智能手機(jī)為例：由于其高能量密度，電池可以使用一天的大部分時(shí)間；要為設(shè)備充電，必須將其連接到另一個(gè)電源一小時(shí)或更長(zhǎng)時(shí)間。 ? ?

石墨烯的承諾

石墨烯是單原子厚的碳原子片，相對(duì)表面積為 2,630 m?2?/g，在存儲(chǔ)電荷方面表現(xiàn)出色，在長(zhǎng)期循環(huán)中幾乎不會(huì)降解。石墨烯中的鍵使石墨烯的抗拉強(qiáng)度是鋼的四倍以上，同時(shí)具有超透明、柔韌和出色的電和熱導(dǎo)體。這些特性使石墨烯不僅適合用于電池，還適合用于超級(jí)電容器。 然而，石墨烯超級(jí)電容器存儲(chǔ)的能量不如電池多，但它可以在幾分鐘內(nèi)充滿(mǎn)電。因此，為了克服石墨烯超級(jí)電容器的低能量密度，科學(xué)家們開(kāi)始研究超級(jí)電容器和電池的耦合作為混合儲(chǔ)能系統(tǒng)。

石墨烯-鋁混合電池

澳大利亞昆士蘭大學(xué)的研究人員與石墨烯制造集團(tuán)合作，開(kāi)發(fā)了一種基于石墨烯的混合電池原型。這種電池使用石墨烯和鋁作為電極材料，一般被稱(chēng)為石墨烯鋁電池。電池能量密度為150-160 Wh/kg，1-5分鐘即可極速充電。 此外，石墨烯鋁離子電池在電池安全性、可回收性和更長(zhǎng)的電池壽命（超過(guò) 2000 次循環(huán)）方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，性能幾乎沒(méi)有下降。 根據(jù)最新信息，石墨烯制造集團(tuán) (GMG) 宣布，它已生產(chǎn)出袋狀電池形式的石墨烯鋁離子電池，用于智能手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦等。 據(jù)GMG稱(chēng)，這些電池的理論能量極限約為1050 Wh/Kg。因此，隨著進(jìn)一步的發(fā)展，我們很快可以期待石墨烯電池的能量超過(guò)商用電池。

石墨烯增強(qiáng)型鋰硫電池

石墨烯混合電池發(fā)展的分水嶺出現(xiàn)在 2021 年底，當(dāng)時(shí)總部位于加州的 Lyten 公司宣布，他們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種用于電動(dòng)汽車(chē)的石墨烯電池，其能量密度是傳統(tǒng)鋰離子電池的三倍。 這些電池是鋰硫 (Li-S) 電池，長(zhǎng)期以來(lái)一直被吹捧為下一代可充電電池。然而，鋰硫電池在實(shí)際應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)是在放電循環(huán)中形成可溶性多硫化物。這些中間物質(zhì)在陽(yáng)極和陰極之間擴(kuò)散并導(dǎo)致內(nèi)部短路。這種現(xiàn)象通常被稱(chēng)為穿梭效應(yīng)，它是導(dǎo)致 Li-S 電池效率低下和容量衰減快的原因。 Lyten?在硫陰極中加入了 3D 石墨烯膜來(lái)克服這個(gè)問(wèn)題，它作為一種有效的隔板并降低了循環(huán)容量衰減率。 該產(chǎn)品名為 LytCell EV，據(jù)報(bào)道可提供 900 Wh/kg 的能量密度。測(cè)試顯然表明，LytCell 原型可以維持超過(guò) 1,400 次充放電循環(huán)。

石墨烯增強(qiáng)聚合物電池

PolyJoule?是麻省理工學(xué)院 (MIT) 的衍生公司，最近宣布了一種用于大功率數(shù)據(jù)中心備份和電網(wǎng)應(yīng)用的新電池技術(shù)。該裝置是一種具有碳-石墨烯混合物和導(dǎo)電聚合物的雙電極電化學(xué)電池。電池可在 10 秒內(nèi)釋放高達(dá) 1 MW 的電量，并在 5 分鐘內(nèi)充電。它的電壓范圍為 158 V 至 972 V，可在 -40 °C 至 50 °C 的溫度范圍內(nèi)連續(xù)工作，且容量損失最小。

石墨烯不燃鋰電池

當(dāng)鋰離子電池短路時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電池著火，這引發(fā)了人們對(duì)其在消費(fèi)產(chǎn)品中的使用的擔(dān)憂(yōu)。這是由于鋰離子電池中含有易燃電解質(zhì)。總部位于美國(guó)的 Nanotech Energy 開(kāi)發(fā)了一種不易燃的石墨烯鋰離子電池組，既安全又環(huán)保。他們?cè)阡囯姵刂惺褂檬┳鳛殡姌O材料，并開(kāi)發(fā)了一種名為 OrganoLyte TM的廉價(jià)非易燃電解質(zhì)。 據(jù)說(shuō)該電池的能量密度為 162.5 Wh/kg，在 80% 的容量下可以承受超過(guò) 1400 次循環(huán)（近 10 年）。 電池完全防火，適用于所有天氣條件。相比之下，傳統(tǒng)的鋰電池只能承受 300-500 次循環(huán)（大約兩到三年）。根據(jù)最新消息，該公司已開(kāi)始接受預(yù)訂，電池可能會(huì)定制用于電動(dòng)汽車(chē)、計(jì)算機(jī)和軍事應(yīng)用。 ? ?

石墨烯電池的未來(lái)

特斯拉最近宣布，他們的 Model 3 電池的能量密度接近 260 Wh/kg。盡管如此，它仍需要復(fù)雜的冷卻系統(tǒng)來(lái)防止過(guò)熱，因此占用了大量空間。另一方面，由于石墨烯電池不會(huì)過(guò)熱或爆炸，因此不需要冷卻系統(tǒng)，該空間可用于電動(dòng)汽車(chē)的儲(chǔ)能電池。 石墨烯電池技術(shù)突破，中國(guó)汽車(chē)公司廣汽汽車(chē)有限公司宣布推出AION V汽車(chē)，其石墨烯電池續(xù)航里程可達(dá)1000公里，可在8分鐘內(nèi)充電至80%容量。毫無(wú)疑問(wèn)，石墨烯電池的持續(xù)商業(yè)化將很快因其更廣泛的應(yīng)用而超越傳統(tǒng)電池。

編輯：黃飛

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