石墨 + 水 = 未来电池

作者:  来源:中国电子商情

发布时间:2015-04-23

两种普通材料的组合——“石墨 + 水”能制造能量存储系统，产生媲美锂离子电池的储能效果，并且在几秒钟内充满电，拥有几乎无限长的使用寿命。

“石墨 + 水” 储能的原理是利用电荷在全界面导电碳原子表面的有序堆积来实现电能的大量、超快速储存和释放，以“石墨 + 水”凝胶为基础的新型储电装置可以在几秒内充放电，拥有几乎无限次的循环寿命。一直以来，产业界都在寻找高效、可控的电能储备材料，要求其导电性能良好、物化性质稳定，能够让电荷在其微观结构上实现最大程度的有序堆积，用以制作超级材料，实现电能的高效储备及释放。目前认为纳米石墨（石墨烯）就是这种潜在的理想材料。蒙纳士大学材料工程系（Monash University Department of Materials Engineering）李旦博士和他的研究团队正在研究一种名叫石墨烯的材料，这种材料有可能成为下一代超快速能量存储系统的基础。李博士说：“一旦我们能恰当地操纵这种材料，那么像 iPhone 这样的设备可以在数秒钟或更短的时间内完成充电。”

石墨烯是石墨剥离成一个原子厚度的产物。石墨价格低廉、随处可见，常用于铅笔芯中，这种形式的石墨具有卓越的特性。由于石墨烯强度高，具有化学稳定性，因此是绝佳的导电材料，它的另一个重要的特性就是表面积非常大。李博士说：“这些特性让石墨烯非常适合应用于能量存储系统。而目前石墨烯没有被大规模应用是因为这种材料非常薄，如果堆积到一起形成宏观结构时，会立即紧密连接在一起形成石墨。石墨烯重新堆积之后大部分表面将消失，不再具有石墨烯的特性。”现在，李博士和他的团队找到了使石墨薄片保持其非凡特性的方法：水。水可让石墨烯保持湿润——以凝胶的形式存在——让层与层之间产生排斥力，防止它们重新堆积。
 
李博士表示：“我们使用的是两种基本的、不昂贵的材料——水和石墨，他们能让这种纳米材料拥有非常惊人的特性。这个技术非常简单，能够大规模应用。我们发现这一点时，觉得它不可思议。”
 
目前，“石墨 + 水”储能需要攻克的关键技术是如何在不降低石墨烯物化性能的同时，将它高效有序的密集组装在一起，并且能够有效阻止石墨烯在加工过程中的二次堆叠。影响石墨烯广泛应用的关键问题是它的堆积结构。通常情况下，紧密堆积的石墨烯容易重新形成石墨，这样的话，将不再具有单片石墨烯独有的性能。李博士团队在工作中发现，石墨烯作为一种极其少见的二维凝聚态导电物质，在控制的条件下能够与水相互作用自行组装成微观纳米间隔而又宏观紧密堆积的三维凝胶结构，具有意想不到的性能，将会给电能储备技术带来突破性进展。应用到储能设备上时，无论是在电荷的储存量还是充电的速度方面，石墨烯凝胶能显著超越当前的碳基技术。目前以此材料构造的电储能装置所获能量密度已经相当于电动汽车中广泛使用的锂离子电池，所获功率密度百倍超过锂离子电池，以此为动力的电动汽车将有可能替代传统燃油动力汽车。
 
新型储电材料是低碳经济，清洁能源产业发展的重点领域，对人类未来可持续发展意义深远，尤其是对中国这样一个石化能源进口大国，关系到国民经济发展的平稳与安全。中国碳材料产业发达，石墨矿藏储量丰富，但是其产业一直处于产业链的低端。“石墨 + 水”储能材料这一新技术将极大地提高现有石墨产业的附加值，改变电能储存产业现状，有望在消费电子、智能电网、动力机械及电动汽车领域获得广泛的应用。李博士认为这种新技术的发展前景不仅仅局限于消费电子产品，“高速、可靠、低成本的能量存储系统，是未来实现大规模应用可再生资源所产生的电能的关键，也是电动汽车大规模应用的关键。石墨烯凝胶同时显示出应用于水净化薄膜、生物医疗设备和传感器的潜力。”