超級電池(一種新型電池)

超級電池是美國科學家研製的一種新型電池,它們被稱為微型石墨烯超級電容,其充電和放電速度比普通電池快1000倍,並能夠存儲比普通電池大幾十倍的電能。

簡介

超級電池採用單原子厚度的碳層構成,這項技術能夠在最短時間內對手機和汽車快速充電,能夠很容易製造並整合成為器件,未來有望製造更小的手機。

製造

為了研製這種微型超級電池,研究人員使用二維石墨烯層,在第三維立體層面其厚度僅有單個原子。

由於製造微型超級電容的傳統方法涉及到密集型光刻技術,被證實很難製造成本低廉的器件,因此在商業應用領域受限。

但是,研究人員基於適用於大眾的光速寫DVD燒錄技術,可以僅用部分傳統裝置成本製造出石墨烯微型超級電容。

使用這種技術,利用廉價材料僅不足30分鐘在一個光盤上製造100多個微型超級電池。

功能特點

為了使超級電池更具有效性,兩個分離電極的放置方式必須使其表面積最大化,這將使超級電池能夠存儲更多電能。

過去的微型電池是多層石墨烯堆疊在一起作為電極,像三明治麵包片。但在超級電池中,研究人員使用叉合模型(類似於互相交織的手指)將電極並排放在一起。這有助於實現兩個電極表面積的最大化,儘管這同時也會減少電解液中離子需要擴散的路徑。

前景

超級電池能夠存儲更多的電能,更快地完成充電。研究人員表示,人們未來可能在家中完成這種超級電池的製造。

但美國加州洛杉磯大學材料科學和工程系教授理查德-卡恩表示,集合電子電路的能量存儲單元的設計製造存在着挑戰。

生活中,電池容量不足時常困擾着電動車和智能手機用戶。性能穩定、價格合理的超級電池是人類多年來追尋的夢想。現階段人們對超級電池的形象描述可概括為:一次充電,可以讓電動汽車行駛1000公里,讓智能手機玩一周,充電時間能控制在幾分鐘內,最好可無線充電。這種超級電池的市場規模不低於1萬億美元。當前,美國、中國、日本和韓國都在衝刺超級電池。

目前常用的鋰離子電池1991年才開始商業化,主要有鈷酸鋰、磷酸鐵鋰和錳酸鋰3種類型。鈷酸鋰電池能量密度最高,但高溫下不穩定,其他兩種能量密度不高。可充電電池的第五代產品——鋰金屬電池誕生於1996年,在安全性、比容量、自放電率和性能價格比方面,均優於鋰離子電池。但距離超級電池的要求,還有較大差距。

石墨烯有望引發電池新突破。2004年誕生的石墨烯,其特點是具有良好的導電導熱性能:作為電導體,其導電性可與金屬銅媲美;作為熱導體,它是現有材料中最好的,更難能可貴的是,這種材料在很薄的時候,仍有很高的硬度。石墨烯已被各大工業國列為重要材料進行深度開發。目前,石墨烯應用於電池上的研究基本上有3個方向:

一是以石墨烯形成全新體系電池。就是說以石墨烯製造一個全新體系的電池,在性能上是顛覆性的,稱作“超級電池”。使用這種材料製作的電池,能量密度超過600wh/kg,是目前動力鋰電池的5倍,一次充電時間只需8分鐘,可行駛1000公里;電池重量只有鋰離子電池的一半,體積也會大幅縮小,減輕使用該電池汽車的自身重量;電池的使用壽命更長,是傳統氫化電池的4倍,鋰電池的2倍;其成本將比目前鋰電池降低77%。這些物理參數都符合超級電池的要求。

二是以石墨烯強化現有電池性能。將石墨烯運用到現有電池上,改進提升鋰電池、太陽能電池等電池性能,力圖達到超級電池的性能。對於那些已投巨資建設鋰電池工廠的企業,短期內很難再投資開發一種全新電池,利用石墨烯的特性來提升現有鋰電池性能,或許更為現實。就石墨烯屬性來說,作為最薄、最堅硬、導電性良好且擁有強大靈活性的納米材料,石墨烯可廣泛應用於鋰離子電池、超級電容器及太陽能電池等儲能產品中。石墨烯的特殊結構決定其可以提升電池中的鋰離子獲得高速率通道的性能,可以幫助鋰電池技術突破長期難以逾越的障礙。目前,以石墨烯和硅為原料研發的手機電池,每次充電僅需15分鐘,便可讓手機運行一周。

三是以石墨烯催化燃料電池性能。用特製的石墨烯材料替代鉑作為催化劑,來製造燃料電池所需的氫燃料。燃料電池是將燃料具有的化學能直接變為電能的發電裝置。與其他電池相比,具有能量轉化效率高、無環境污染等優點。“質子傳導薄膜”是燃料電池技術的核心部分。現有的質子薄膜上常存在燃料泄漏,因而降低了電池有效性。但質子可以較為容易地“穿越”石墨烯等二維材料,而其他物質則很難穿越,這就可以解決燃料滲透的問題,從而增強電池的性能。

石墨烯技術的應用至今仍處於初級階段,尤其是能讓電池體積和重量大幅縮小的單層石墨烯材料,成品率低,生產成本高,成為石墨烯電池難以產業化的重要成因。因而,通過進一步創新,完善技術工藝,降低生產成本,是今後石墨烯電池發展的關鍵。目前,我國在石墨烯研發及應用上走在世界前列,已有多款石墨烯電池和石墨烯鋰硫電池取得了突破性進展。

當然,全球在電池領域的研發不僅限於石墨烯,日本就在研發利用鎂生產性能更高、成本更低的蓄電池;瑞典正在研究利用碳纖維來提高鋰電池的性能。但這些新技術要真正實用化,甚至形成巨大的產業,還需要經過市場的洗禮。

總之,尋找超級電池的過程,是科技創新的過程,也是產業結構優化的過程。以石墨烯為代表的超級電池實現突破之日,將是包括新型自動駕駛飛機、電動汽車、手機、電腦等一切靠電力驅動設備變革之時,對多個行業將具有顛覆性意義,必將為人類生活翻開新的一頁。