石墨烯連續(xù)節(jié)能電動(dòng)車(chē)超級(jí)電池

石墨烯連續(xù)節(jié)能電動(dòng)車(chē)超級(jí)電池

電池是電動(dòng)汽車(chē)的心臟，盡管電動(dòng)汽車(chē)的大力推廣，但短距離、長(zhǎng)充電時(shí)間等缺點(diǎn)仍然阻礙著大量的電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)入普通人的家庭，現(xiàn)在越來(lái)越多的研究機(jī)構(gòu)和汽車(chē)企業(yè)正在開(kāi)發(fā)新一代超級(jí)電池。解決動(dòng)力電池的許多問(wèn)題。

新材料之王一直是一個(gè)備受期待的話題，近年來(lái)，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所的研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的電池受到了外界的廣泛關(guān)注，該研究所研究員黃福強(qiáng)領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)與P.Eking大學(xué)和賓夕法尼亞大學(xué)合成了一種用于高性能超級(jí)電容器的氮摻雜有序介孔電極材料，該材料具有優(yōu)良的電化學(xué)儲(chǔ)能特性。除了超快速的充電和放電外，它還可以充電5萬(wàn)次以上，這有望給電池行業(yè)帶來(lái)革命性的變化，結(jié)果發(fā)表在《美國(guó)科學(xué)雜志》上。

自電動(dòng)汽車(chē)誕生之日起，科學(xué)家們一直在探索新的材料和技術(shù)來(lái)提高電池續(xù)航里程，據(jù)河北大學(xué)新能源汽車(chē)研究中心王濤博士介紹，電動(dòng)汽車(chē)已有100多年的歷史，比燃料汽車(chē)早了半個(gè)世紀(jì)。

據(jù)了解，電動(dòng)汽車(chē)的歷史可以追溯到1834年，當(dāng)時(shí)蘇格蘭的羅伯特·安德森制造了第一輛電動(dòng)汽車(chē)，它由一組不可充電的干電池驅(qū)動(dòng)，只能行駛很短的距離。1881年，法國(guó)工程師古斯塔夫·特魯夫發(fā)明了一種由可充電鉛酸電池供電的電動(dòng)汽車(chē)。從19世紀(jì)末到20世紀(jì)初，電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)入了發(fā)展的黃金時(shí)代。在法國(guó)、英國(guó)和美國(guó)，電動(dòng)汽車(chē)制造商層出不窮。電動(dòng)汽車(chē)一度占據(jù)了汽車(chē)市場(chǎng)的40%，但自20世紀(jì)20年代以來(lái)，隨著內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的不斷更新和燃料汽車(chē)與電動(dòng)汽車(chē)的三倍里程，以及低成本的使用，電動(dòng)汽車(chē)迅速?gòu)臍W美汽車(chē)市場(chǎng)上消失。

鉛酸蓄電池體積大、重量重、充電時(shí)間長(zhǎng)、壽命短。另外，電力傳動(dòng)系統(tǒng)的制造成本太高。鉛酸電池必然會(huì)被市場(chǎng)淘汰，王濤說(shuō)，從20世紀(jì)80年代到90年代，日本和美國(guó)的一些汽車(chē)制造商也生產(chǎn)了一系列電動(dòng)汽車(chē)，但由于其中大部分使用鉛酸電池，很難實(shí)現(xiàn)質(zhì)的突破，這是一個(gè)F。新世紀(jì)以來(lái)，環(huán)境污染和能源消耗日益嚴(yán)重。電動(dòng)汽車(chē)再次成為各大汽車(chē)企業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)，隨著鋰離子電池的引進(jìn)，電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)入了又一個(gè)快速發(fā)展的黃金時(shí)期，與鉛酸電池相比，鋰離子電池在里程、充電時(shí)間、電池等方面都有了很大的提高。生活，但他們?nèi)匀徊荒苓_(dá)到與燃料汽車(chē)相同的性能。王濤說(shuō)，除了昂貴的豪華品牌，電動(dòng)汽車(chē)現(xiàn)在在市場(chǎng)上的名義行駛里程不足300公里。

目前，越來(lái)越多的研究機(jī)構(gòu)和汽車(chē)企業(yè)正在開(kāi)發(fā)下一代超級(jí)電池，試圖在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域取得突破。

電池包含正負(fù)極、隔板和電解質(zhì)，它們由不同的材料組成，不同的材料組合使電池能夠儲(chǔ)存不同的能量。王濤說(shuō)，電池的升級(jí)經(jīng)常反映在電池材料的更新上。目前，許多研究機(jī)構(gòu)都在研究電池的性能。重新嘗試用新材料開(kāi)發(fā)超級(jí)電池，石墨烯就是其中之一。

據(jù)報(bào)道，石墨烯是一種只有一層原子厚度的二維晶體，由碳原子組成，由石墨材料剝離而成，是一種極薄的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，電荷能迅速遷移，因此許多研究人員認(rèn)為石墨烯是電池電極的理想材料。

目前，石墨烯已應(yīng)用于超級(jí)電容器、鋰空氣電池等儲(chǔ)能材料的研究與開(kāi)發(fā)，王濤表示，中科院上海硅酸鹽研究所的研究團(tuán)隊(duì)利用高性能的石墨烯合成了超級(jí)電容器的新型電極材料。石墨烯材料比表面積大，導(dǎo)電性好，化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

超級(jí)電容器是傳統(tǒng)電容器與電池之間的一種電化學(xué)儲(chǔ)能裝置，與電池類(lèi)似，超級(jí)電容器主要由電極、電解質(zhì)、隔膜和集電極組成，其中電極是決定超級(jí)電容器性能的核心部件，目前常用的是活化的碳電極是雙層的電荷儲(chǔ)存機(jī)制。比表面積大，穩(wěn)定性好，功率密度高，電容小（250法拉/克）。此外，現(xiàn)有的儲(chǔ)能裝置中使用的電解質(zhì)通常有毒、有害、易燃、易爆，安全性和穩(wěn)定性較差。

為了解決這一問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所的研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了持續(xù)的研究。通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，合成了氮摻雜有序介孔石墨烯。這種材料是石墨烯廣義族中的一種新結(jié)構(gòu)。它具有優(yōu)良的電化學(xué)儲(chǔ)能特性，其電容可達(dá)855法拉/克，研究小組還研究了電極材料的結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)石墨烯中氮原子的結(jié)構(gòu)不僅影響電極材料的氧化還原電位，而且還決定了電極材料的氧化還原電位。挖掘電極材料的電容，這一重要發(fā)現(xiàn)為研究者設(shè)計(jì)高電化學(xué)活性的電極材料提供了新的途徑。

事實(shí)上，石墨烯材料已經(jīng)被汽車(chē)電池研究專(zhuān)家廣泛使用。劍橋大學(xué)化學(xué)教授克萊爾·格雷和她的團(tuán)隊(duì)使用石墨烯材料來(lái)克服鋰空氣電池開(kāi)發(fā)中的技術(shù)難題。研究結(jié)果也發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。

據(jù)報(bào)道，鋰-空氣電池是將鋰與氧結(jié)合在一起放電，形成過(guò)氧化鋰，然后通電充電，從而使鋰-空氣電池的過(guò)程發(fā)生逆轉(zhuǎn)，如何可靠地重復(fù)這些反應(yīng)是該技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)，克萊爾-格雷用石墨烯構(gòu)建了多孔、海綿狀的碳電極，并添加了一些添加劑。為了保持鋰空氣電池的化學(xué)穩(wěn)定性，以前解決了鋰空氣電池的爆炸問(wèn)題。如果這種技術(shù)能從實(shí)驗(yàn)室演示轉(zhuǎn)變?yōu)樯唐?，汽?chē)可以一次充電從倫敦到愛(ài)丁堡（約650公里），只需如今鋰離子電池成本和重量的五分之一。

此外，韓國(guó)三星電子也在研究硅表面涂有石墨烯的硅基陽(yáng)極，通過(guò)在SiC電極表面涂上石墨烯，有效地?cái)U(kuò)大了陽(yáng)極的表面積，結(jié)合陰極用鋰鈷氧化物，計(jì)算了電池的單位體積能量密度。G電源大大提高，使用壽命是鋰離子電池的1.5～1.8倍。

這些結(jié)果表明，在電極上添加石墨烯可以顯著提高電池的充電速度、循環(huán)穩(wěn)定性、使用壽命和能量密度，王濤說(shuō)，無(wú)論石墨烯能否作為下一代電池的負(fù)極材料，業(yè)界一致認(rèn)為，合理的而石墨烯作為一種新材料的正確使用，可以促進(jìn)電池的發(fā)展，使其具有更高的性能。

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