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石墨烯電池的優缺點分析

鉅大LARGE  |  點擊量:16066次  |  2018年05月25日  

摘要
石墨烯電池,利用鋰離子在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運動的特性,開發出的一種新能源電池。

  石墨烯(Graphene)是一種由碳原子以sp2雜化方式形成的蜂窩狀平面薄膜,是一種只有一個原子層厚度的準二維材料,所以又叫做單原子層石墨。它的厚度大約為0.335nm,根據制備方式的不同而存在不同的起伏,通常在垂直方向的高度大約1nm左右,水平方向寬度大約10nm到25nm,是除金剛石以外所有碳晶體(零維富勒烯,一維碳納米管,三維體向石墨)的基本結構單元。

  石墨烯在能源領域的應用

  在這其中,石墨烯在能源領域的應用是最火熱,也是最被看好的方向。從原理上講,石墨烯作為一種優秀的二維導電材料,加入鋰離子電池正極材料(磷酸鐵鋰等)中,即可以提高電極材料的導電性,又可以包裹正極納米顆粒,是對現有“炭黑+碳納米管”導電劑的升級換代。

  加入石墨烯導電劑的鋰電池,其倍率性能、一致性和壽命都有不同程度的提高(這是優點吧)。

  此外,石墨烯還可以加入到新的負極材料(中間相炭微球等)中,提升電極材料的性能,也是一個未來發展的可能性。

  這些應用雖然不是鋰電池最核心的技術,對鋰電池的容量和密度也沒有較大的改善,但是可以提高電池組乃至新能源汽車的綜合性能,是石墨烯應用領域技術成熟度比較高的方向。

  石墨烯電池,利用鋰離子在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運動的特性,開發出的一種新能源電池。

  石墨烯電池的基本原理:石墨烯電池在飽和氯化銅溶液中,時間(小時、天數)和產生電壓的關系。

  實驗制成電路其中包含LED,用電線連接到帶狀石墨烯。他們只是把石墨烯放在氯化銅(copperchloride)溶液中,進行觀察。LED燈亮了。實際上,他們需要6個石墨烯電路,形成串聯,這樣就可產生所需的2V,使LED燈發亮,就可以得到這個圖片。

  徐子涵和同事說,這里發生情況就是銅離子具有雙重正電荷,穿過溶液的速度約每秒300米,因為溶液在室溫下的熱能量。當離子猛烈撞入石墨烯帶時,碰撞會產生足夠的能量,使不在原位的電子離開石墨烯。電子有兩種選擇:可以離開石墨烯帶,和銅離子結合,也可以穿過石墨烯,進入電路。

  原來,流動的電子在石墨烯中更快,超過它穿過溶液的速度,所以電子自然會選擇路徑,穿過電路。正是這一點點亮了LED燈“釋放的電子更傾向于穿過石墨烯表面,而不是進入電解液。設備就是這樣產生電壓的,”徐子涵說。

  因此,這個裝置產生的能量來自周圍環境的熱量。他們可以提高電流,只需加熱溶液,也可用超聲波加快銅離子。只依靠周圍熱量,就可以使他們的石墨烯電池持續運行20天。但是,還有一個重要的問號。另一個假設是某種化學反應產生電流,就像普通的電池。

  然而,徐子涵和同事說,他們排除了這一點,因為進行了幾組控制實驗。然而,這些是在一些補充材料中介紹的,他們似乎并沒有放在arXiv網站上。他們需要趕在別人做出嚴肅聲明之前公開。從表面價值來看,這看起來是一項非常重要的成果。其他人也在石墨烯中產生過電流,但只是讓水流過它,所以這并不真的使人吃驚,移動的離子也可以產生這樣的效果。這預示著清潔的綠色電池,只依靠環境熱量驅動。徐子涵和同事說:“這代表著一個巨大的突破,研究的是自驅動技術”。

  石墨烯電池的優缺點:

  優點:

  1)儲電量是目前市場最好產品的三倍。一個鋰電池(以最先進的為準)的比能量數值為180wh/kg,而一個石墨烯電池的比能量則超過600wh/kg。

  2)用此電池提供電力的電動車最多能行駛1000公里,而其充電時間不到8分鐘。

  3)使用壽命長。其使用壽命是傳統氫化電池的四倍,是鋰電池的兩倍。

  4)重量輕。石墨烯的特性使得電池的重量可以減少為傳統電池的一半,這樣可以提高裝載該電池的機器的效率。

  5)成本低。生產這種電池的公司表示,它的成本將比鋰電池低77%?!?br/>
  ”穩定型高,電池壽命長,充電速度快;

  缺點:

  傳統導電碳/石墨很便宜,都是論噸賣的,而石墨烯太貴。一克上千的價格,這不是一般企業能夠承受得了的。而數年前,石墨烯的價格曾高達每克5000元,遠超黃金價格,普通消費者也難以承受。

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