石墨烯和電池

石墨烯是一種由碳原子組成的蜂窩狀晶格結構，由于其具有無數驚人的特性，被廣泛認為是一種“神奇材料”。它是一種強大的電能和熱能導體，具有非常輕的化學惰性，并且具有很大的比表面積。它也被認為是環(huán)保和可持續(xù)的，具有無限的可能性，為眾多的應用。

石墨烯電池的優(yōu)點

在電池領域，石墨烯增強后，傳統電池電極材料(以及未來的電池電極材料)得到了顯著改善。石墨烯電池重量輕，經久耐用，適合大容量儲能，并可縮短充電時間。它將延長電池的壽命，而電池的壽命與涂覆在材料上或添加到電極上以獲得導電性的碳量呈負相關。石墨烯增加導電性，而不需要傳統電池中使用的碳量。

石墨烯可以通過多種方式改善電池的能量密度和形狀等屬性。鋰離子電池(以及其他類型的充電電池)可以通過將石墨烯引入電池的陽極，利用材料的導電性和大面積的表面積特性來實現形態(tài)優(yōu)化和性能提升。

人們還發(fā)現，制造混合材料也有助于實現電池的增強。例如，氧化釩(VO2)和石墨烯的混合物可用于鋰離子陰極，具有快速充放電和較大的充電周期耐久性。在這種情況下，VO2具有高能量容量，但導電性較差，這可以通過使用石墨烯作為一種結構“骨干”來解決，并將VO2附著在其上，從而創(chuàng)造出一種兼具高容量和優(yōu)良導電性的混合材料。

另一個例子是LFP(磷酸鐵鋰)電池，這是一種可充電的鋰離子電池。它的能量密度比其他鋰離子電池要低，但功率密度更高(這是電池提供能量的速率的一個指標)。用石墨烯增強LFP陰極使電池更輕，充電速度比鋰離子電池快得多，比傳統的LFP電池容量更大。

除了徹底改變電池市場，石墨烯電池和石墨烯超級電容器的結合使用還可以產生驚人的效果，比如著名的提高電動汽車行駛里程和效率的概念。雖然石墨烯電池尚未實現廣泛的商業(yè)化，但全世界都在報道電池的突破。

電池基本知識

電池作為一種移動電源，可以讓電動設備在不直接插入插座的情況下工作。雖然存在許多類型的電池，但它們發(fā)揮作用的基本概念是相似的:一個或多個電化學電池將儲存的化學能轉化為電能。電池通常由金屬或塑料外殼制成，包括一個正極(陽極)、一個負極(陰極)和允許離子在它們之間移動的電解質。

分離器(一種可滲透的聚合物膜)在陽極和陰極之間形成屏障，以防止短路，同時允許離子電荷載體的運輸，而離子電荷載體在電流通過過程中需要關閉電路。最后，使用集電極通過連接的設備在電池外部進行充電。

當兩個端子之間的電路完成后，電池通過一系列的反應產生電能。陽極發(fā)生氧化反應，電解液中的兩個或兩個以上離子與陽極結合產生化合物，釋放電子。同時，陰極經過還原反應，陰極物質、離子和自由電子結合成化合物。簡單地說，陽極反應產生電子，而陰極反應吸收電子，并從這個過程中產生電。電池將繼續(xù)發(fā)電，直到電極耗盡產生反應所需的物質。

電池類型及特性

電池主要分為兩種類型:一次電池和二次電池。一次電池(一次性電池)，在充電過程中電極材料發(fā)生不可逆的變化，一旦使用便失效。常見的例子有鋅碳電池，以及用于玩具、手電筒和許多便攜式設備的堿性電池。二次電池(可充電)，可以多次放電和充電，因為原來的組成電極能夠恢復功能。例如用于汽車的鉛酸電池和用于便攜式電子產品的鋰離子電池。

電池有各種形狀和大小，用于無數不同的用途。不同種類的電池顯示出不同的優(yōu)點和缺點。鎳鎘(NiCd)電池能量密度相對較低，使用壽命長、放電率高、價格低廉。它們可以在攝像機、電動工具和其他用途中找到。鎳鎘電池含有有毒金屬，對環(huán)境不利。鎳氫電池具有比鎳氫電池更高的能量密度，但也有更短的循環(huán)壽命。應用包括手機和筆記本電腦。鉛酸蓄電池重量大，在大功率應用中起著重要作用，在大功率應用中，重量不是關鍵，而經濟價格是關鍵。

鋰離子(Li-ion,Li-ion)電池是在高能量和最小重量的情況下使用的，但該技術是脆弱的，需要一個保護電路來確保安全。應用包括手機和各種各樣的電腦。鋰離子聚合物(Li-ionPolymer,Li-ionPolymer)電池主要存在于手機中。它們很輕，而且比鋰電池更輕薄。它們通常也更安全，壽命更長。然而，由于鋰離子電池制造成本更低、能量密度更高，它們似乎不那么普遍。

電池和超級電容器

雖然有些類型的電池能夠儲存大量的能量，但它們體積很大，重量很大，釋放能量很慢。另一方面，電容器能夠快速充放電，但所含能量比電池少得多。然而，石墨烯在這一領域的應用為儲能提供了令人興奮的新可能性，具有高充放電率，甚至經濟實惠。石墨烯改進的性能因此模糊了超級電容器和電池之間的傳統界限。

石墨烯電池結合了電池和超級電容器的優(yōu)點

石墨烯增強電池產品走向商業(yè)化石墨烯基電池具有令人興奮的潛力，雖然還沒有完全商業(yè)化，但研發(fā)是密集的，有望在未來產生成果。

2018年12月，總部位于印度的Log9Materials公司宣布，該公司正在研發(fā)石墨烯金屬空氣電池，理論上，這種電池甚至可能用于制造水上電動汽車。金屬空氣電池采用金屬為陽極，空氣(氧)為陰極，水為電解質。電池的空氣陰極使用石墨烯棒。由于必須使用氧氣作為陰極，陰極材料必須是多孔的，以便讓空氣通過，這是石墨烯的優(yōu)勢。根據Log9材料，電極中使用的石墨烯能夠以三分之一的成本將電池效率提高五倍。

2017年11月，三星開發(fā)了一種獨特的“石墨烯球”，可以讓鋰離子電池使用更久、充電更快。事實上，三星高級技術研究院(SAIT)表示，使用這種新型石墨烯球材料制造電池，將使電池容量增加45%，充電速度提高5倍。還有人說，三星的電池將使用這種石墨烯球材料，將能夠保持60攝氏度的溫度，這是電動汽車使用的要求。

2016年11月，華為發(fā)布了一款新的石墨烯增強鋰離子電池，它可以在更高的溫度(60°而不是現有的50°限制)下保持功能，并提供更長的運行時間——比以前電池的兩倍。為了實現這一突破，華為引入了幾項新技術——包括電解液中的抗分解添加劑、化學穩(wěn)定的單晶陰極——和石墨烯，以促進散熱。華為表示，石墨烯可以將電池的工作溫度降低5度。

2014年6月，總部位于美國的VorbeckMaterials公司發(fā)布了一款名為vr-powerstrap的產品，這是一款輕便靈活的電源，可以連接到任何現有的包帶上，支持移動充電站(通過2個USB接口和一個微型USB端口)。該產品重450克，提供7200毫安，可能是世界上第一個石墨烯增強電池。

2014年5月，美國AngstronMaterials公司推出了幾款新型石墨烯產品。這些產品據說將在2014年底左右上市，包括一系列用于鋰離子電池的石墨烯增強陽極材料。這種電池材料被命名為“納米GCA”，有望制成高容量陽極，通過將高容量硅與機械增強和導電石墨烯結合，能夠支持數百次充放電循環(huán)。