電動汽車有了石墨烯表面鋰離子交換電池

一種看起來怎么也和電池搭不上界的物質，成了突破電池技術瓶頸的關鍵。美國俄亥俄州Nanotek儀器公司的研究人員利用鋰離子可在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運動的特性，開發出一種新型儲能設備，可以將充電時間從過去的數小時之久縮短到不到一分鐘。該研究發表在近期出版的《納米快報》上。

電池充電性能成為電動汽車發展的最大挑戰

眾所周知，電動汽車因其清潔節能的特點而被視為汽車的未來發展方向，但電動汽車的發展面對的重要技術瓶頸就是電池技術。這重要表現在以下幾個方面：一是電池的能量儲存密度，指的是在一定的空間或質量物質中儲存能量的大小，要解決的是電動汽車充一次電能跑多遠的問題。二是電池的充電性能。人們希望電動汽車充電能像加油相同，在幾分鐘內就可以完成，但耗時問題始終是電池技術難以逾越的障礙。動輒數小時的充電時間，讓許多對電動汽車感興趣的人望而卻步。因此，有人又將電動汽車電池的充電性能稱為電動汽車發展的真正瓶頸。

目前在電池技術上重要采用的是鋰離子電池和超級電容技術，鋰離子電池和超級電容各有長短。鋰離子電池能量儲存密度高，為120瓦/公斤到150瓦/公斤，超級電容的能量儲存密度低，為5瓦/公斤。但鋰離子電池的功率密度低，為1千瓦/公斤，而超級電容的功率密度為10千瓦/公斤。目前大量的研究工作集中于提高鋰離子電池的功率密度或新增超級電容的能量儲存密度這兩個領域，但挑戰十分巨大。

新研究通過采用石墨烯這種神奇的材料，繞過了挑戰。石墨烯因具有如下特點成為新儲能設備的首選：它是目前已知導電性最高的材料，比銅高五倍；具有很強的散熱能力；密度低，比銅低四倍，重量更輕；表面面積是碳納米管兩倍時，強度超過鋼；超高的楊氏模量和最高的內在強度；比表面積(即單位質量物料所具有的總面積)高；不容易發生置換反應。

新設備讓電動汽車不到1分鐘充滿電

新儲能設備又稱為石墨烯表面鋰離子交換電池，或簡稱為表面介導電池(SMCS)，它集中了鋰離子電池和超級電容的優點，同時兼具高功率密度和高能量儲存密度的特性。雖然目前的儲能設備尚未采用優化的材料和結構，但性能已經超過了鋰離子電池和超級電容。新設備的功率密度(即電池能輸出最大的功率除以整個燃料動力電池系統的重量或體積)為100千瓦/公斤，比商業鋰離子電池高100倍，比超級電容高10倍。功率密度高，能量轉移率就高，充電時間就會縮短。此外，新電池的能量儲存密度為160瓦/公斤，與商業鋰離子電池相當，比傳統超級電容高30倍。能量儲存密度越大，存儲的能量就越多。

SMC的關鍵是其陰極和陽極有非常大的石墨烯表面。在制造電池時，研究人員將鋰金屬置于陽極。首次放電時，鋰金屬發生離子化，通過電解液向陰極遷移。離子通過石墨烯表面的小孔，到達陰極。在充電過程中，由于石墨烯電極表面積很大，大量的鋰離子可以迅速從陰極向陽極遷移，形成高功率密度和高能量密度。研究人員解釋說，鋰離子在多孔電極表面的交換可以消除嵌插過程所需的時間。在研究中，研究人員準備了氧化石墨烯、單層石墨烯和多層石墨烯等各種不同類型的石墨烯材料，以便優化設備的材料配置。下一步將重點研究電池的循環壽命。目前的研究表明，充電1000次后，可以保留95%容量；充電2000次后，尚未發現形成晶體結構。研究人員還計劃探討鋰不同的存儲機制對設備性能的影響。

研究表明，在重量相同的情況下，僅以尚未優化的SMC替代鋰離子電池，SMC或鋰離子電池電動汽車的駕駛距離相同，但SMC的充電時間不到一分鐘，而鋰離子電池則要數小時。研究人員相信，優化后SMC的性能會更好。

假如今后電動汽車廣為流行，充電站設置在加油站，其結果將會出現一幅十分有趣的情景，那就是電動汽車的充電時間將比加油還要快，而且比加油還便宜。研究人員表示，除了電動汽車外，該設備還可用于再生能源儲存(如儲存太陽能和風能)和智能電網。