能量?jī)?chǔ)存一直以來(lái)都是問(wèn)題，隨著可再生能源、電動(dòng)汽車(chē)、智能手機(jī)、以及包括AppleWatch在內(nèi)的可穿戴設(shè)備的出現(xiàn)，關(guān)于在更小體積內(nèi)儲(chǔ)存更多能量的需求越來(lái)越迫切。目前的能量密度極限使得電動(dòng)汽車(chē)最多只能行駛幾百英里，而智能手機(jī)的電池也很少能維持24小時(shí)。

納米材料，特別是石墨烯，在能量?jī)?chǔ)存領(lǐng)域已經(jīng)引起了極大的關(guān)注。這種材料像許多納米材料相同，具有很高的比表面積，意味著有能力儲(chǔ)存大量的電荷，因此科學(xué)家對(duì)制備石墨烯基超級(jí)電容器和用于鋰離子電池的石墨烯負(fù)極表現(xiàn)出了相當(dāng)大的興奮。

可穿戴設(shè)備（如AppleWatch）將刺激能儲(chǔ)存更多能量的致密電池的需求。圖片來(lái)源：Apple

石墨烯或是硅電池？

鋰離子電池最大的問(wèn)題之一是石墨負(fù)極上能夠儲(chǔ)存多少電荷。當(dāng)電池充電時(shí)，鋰嵌入到石墨中，放電時(shí)再被移除。然而，石墨的低容量導(dǎo)致負(fù)極只能存儲(chǔ)大約150mAh/g（取決于正極的類型）。

研究人員一直在研究硅負(fù)極，試圖將容量提高到前十年最佳容量的十倍，但進(jìn)展一直受到兩個(gè)因素的阻礙。

1.循環(huán)壽命差：伴隨著吸收和釋放鋰離子，硅的體積變化高達(dá)400%，在循環(huán)過(guò)程中往往會(huì)出現(xiàn)粉碎性的破壞。這又導(dǎo)致電接觸的損耗，甚至是硅顆粒和電極涂層的解體。

2.生產(chǎn)成本高：相比于石墨而言，大多數(shù)用于生產(chǎn)硅基負(fù)極的工藝都是使用昂貴的化學(xué)試劑、奇特的合成方法、或者是通常不適于批量生產(chǎn)的資本密集型工藝。

石墨烯籠子套住不穩(wěn)定的硅

解決這一問(wèn)題的方法之一就是將硅裝入富勒烯、納米管或納米線籠子里。目前，XGSciences和加利福利亞LithiumBattery等公司正在開(kāi)發(fā)石墨烯涂層硅，或者稱之為硅-石墨烯納米復(fù)合負(fù)極材料。

由于石墨烯納米片（GNP）相對(duì)較短，并相互堆疊，使得涂層可滲透電解質(zhì)，有助于捕獲電活性顆粒。GNP層可容納電化學(xué)循環(huán)過(guò)程中電活性顆粒的膨脹和收縮，而無(wú)電接觸損耗或復(fù)合材料的機(jī)械降解。

電動(dòng)汽車(chē)是高密度、快速充電電池的又一大需求市場(chǎng)。圖片來(lái)源：Tesla（特斯拉）汽車(chē)公司

這不是又一個(gè)更好電池的商業(yè)計(jì)劃

當(dāng)一種電池替代技術(shù)提出時(shí)，我通常的反應(yīng)都是先運(yùn)行一段時(shí)間看看。因?yàn)槿魏晤愋碗姵氐臉?gòu)建都是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，又有誰(shuí)了解有多少公司為了生產(chǎn)高性能且可靠的電池，付出了比石墨烯多得多呢。然而，公司供應(yīng)的，哪怕僅僅在價(jià)值鏈上前進(jìn)了一丁點(diǎn)，也絕對(duì)是值得一看的。

石墨烯超級(jí)電容器

另一種方法就是徹底忘記電池，而采用不同的方式儲(chǔ)存能量。雖然電容器甚至是超級(jí)電容器并非什么新的概念，但是二維材料的導(dǎo)電性以及高的比表面積，使得石墨烯成為一種潛在的競(jìng)爭(zhēng)者，至少?gòu)睦碚撋现v是如此。

超級(jí)電容器和電子器件中的電容器最重要的不同在于，超級(jí)電容器不依賴兩個(gè)電極間的電介質(zhì)。因此，電容器分離電荷，而超級(jí)電容器通過(guò)吸附在電極材料上的離子雙電層儲(chǔ)存能量。超級(jí)電容器中的電化學(xué)雙層大約比電容器電介質(zhì)薄1000倍。

很有挑戰(zhàn)性。利用目前優(yōu)化的技術(shù)，使用活性碳，很容易將比表面積提高到1500m2/g。最佳的碳電極比表面積已經(jīng)達(dá)到3000m2/g。但是，迄今為止，最好的石墨烯也只有1500m2/g的比表面積。

限制的因素在于還沒(méi)有能力生產(chǎn)適用于超級(jí)電容器的石墨烯。通常的生產(chǎn)方法會(huì)使得薄膜緊緊的粘在一起、比表面積減小，導(dǎo)致材料難以加工。有望取得突破的是由韓國(guó)研究人員開(kāi)發(fā)的稱之為pompoms的石墨烯制備方法。

超級(jí)電容器在能量?jī)?chǔ)存方面的應(yīng)用最吸引人的地方在于，它能夠達(dá)到鋰離子電池或鉛酸電池完全無(wú)法承受的非常高的充放電速率。這可用于開(kāi)發(fā)釋放能量迅速的能量?jī)?chǔ)存，如電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力能源載體，或者是那些要快速放電的應(yīng)用，如為電動(dòng)汽車(chē)或電動(dòng)工具供應(yīng)啟動(dòng)動(dòng)力。

使用石墨烯基超級(jí)電容器的Zap&Go充電器，可在5分鐘內(nèi)為智能手機(jī)充電。

最快速的手機(jī)充電方式

雖然大多數(shù)的應(yīng)用仍然停留在理論上，等待開(kāi)發(fā)完滿的石墨烯材料，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，最近籌集了不止十萬(wàn)美元用于Indiegogo上，開(kāi)發(fā)一種可快速為手機(jī)和其他電子設(shè)備充電的裝置。

為了弄明白鋰離子電池充電速率的根本限制因素，Zap&Go充電器結(jié)合了插到電源插座上就可快速充電的超級(jí)電容器和儲(chǔ)存能量且為移動(dòng)設(shè)備充電很慢的電池。雖然它不能在數(shù)秒內(nèi)為你的手機(jī)充電，但這仍是一個(gè)巨大的改進(jìn)，關(guān)于攜帶這種便攜式電池包的馬路勇士來(lái)說(shuō)，它充電要12小時(shí)。