石墨烯和电池

石墨烯是一种由碳原子组成的蜂窝状晶格结构，由于其具有无数惊人的特性，被广泛认为是一种“神奇材料”。它是一种强大的电能和热能导体，具有非常轻的化学惰性，并且具有很大的表面积。它也被认为是环保和可持续的，具有无限的可能性，为众多的应用。

图表 1石墨烯电池的优点

在电池领域，石墨烯增强后，传统电池电极材料(以及未来的电池电极材料)得到了显著改善。石墨烯电池重量轻，经久耐用，适合大容量储能，并可缩短充电时间。它将延长电池的寿命，而电池的寿命与涂覆在材料上或添加到电极上以获得导电性的碳量呈负相关。石墨烯增加导电性，而不需要传统电池中使用的碳量。

石墨烯可以通过多种方式改善电池的能量密度和形状等属性。锂离子电池(以及其他类型的充电电池)可以通过将石墨烯引入电池的阳极，利用材料的导电性和大面积的表面积特性来实现形态优化和性能提升。

人们还发现，制造混合材料也有助于实现电池的增强。例如，氧化钒(VO2)和石墨烯的混合物可用于锂离子阴极，具有快速充放电和较大的充电周期耐久性。在这种情况下，VO2具有高能量容量，但导电性较差，这可以通过使用石墨烯作为一种结构“骨干”来解决，并将VO2附着在其上，从而创造出一种兼具高容量和优良导电性的混合材料。

另一个例子是LFP(磷酸铁锂)电池，这是一种可充电的锂离子电池。它的能量密度比其他锂离子电池要低，但功率密度更高(这是电池提供能量的速率的一个指标)。用石墨烯增强LFP阴极使电池更轻，充电速度比锂离子电池快得多，比传统的LFP电池容量更大。

除了彻底改变电池市场，石墨烯电池和石墨烯超级电容器的结合使用还可以产生惊人的效果，比如著名的提高电动汽车行驶里程和效率的概念。虽然石墨烯电池尚未实现广泛的商业化，但全世界都在报道电池的突破。

电池基本知识

电池作为一种移动电源，可以让电动设备在不直接插入插座的情况下工作。虽然存在许多类型的电池，但它们发挥作用的基本概念是相似的:一个或多个电化学电池将储存的化学能转化为电能。电池通常由金属或塑料外壳制成，包括一个正极(阳极)、一个负极(阴极)和允许离子在它们之间移动的电解质。分离器(一种可渗透的聚合物膜)在阳极和阴极之间形成屏障，以防止短路，同时允许离子电荷载体的运输，而离子电荷载体在电流通过过程中需要关闭电路。最后，使用集电极通过连接的设备在电池外部进行充电。

当两个端子之间的电路完成后，电池通过一系列的反应产生电能。阳极发生氧化反应，电解液中的两个或两个以上离子与阳极结合产生化合物，释放电子。同时，阴极经过还原反应，阴极物质、离子和自由电子结合成化合物。简单地说，阳极反应产生电子，而阴极反应吸收电子，并从这个过程中产生电。电池将继续发电，直到电极耗尽产生反应所需的物质。

电池类型及特性

电池主要分为两种类型:一次电池和二次电池。一次电池(一次性电池)，在充电过程中电极材料发生不可逆的变化，一旦使用便失效。常见的例子有锌碳电池，以及用于玩具、手电筒和许多便携式设备的碱性电池。二次电池(可充电)，可以多次放电和充电，因为原来的组成电极能够恢复功能。例如用于汽车的铅酸电池和用于便携式电子产品的锂离子电池。

电池有各种形状和大小，用于无数不同的用途。不同种类的电池显示出不同的优点和缺点。镍镉(NiCd)电池能量密度相对较低，使用寿命长、放电率高、价格低廉。它们可以在摄像机、电动工具和其他用途中找到。镍镉电池含有有毒金属，对环境不利。镍氢电池具有比镍氢电池更高的能量密度，但也有更短的循环寿命。应用包括手机和笔记本电脑。铅酸蓄电池重量大，在大功率应用中起着重要作用，在大功率应用中，重量不是关键，而经济价格是关键。它们广泛应用于医院设备和应急照明。

锂离子(Li-ion, Li-ion)电池是在高能量和最小重量的情况下使用的，但该技术是脆弱的，需要一个保护电路来确保安全。应用包括手机和各种各样的电脑。锂离子聚合物(Li-ion Polymer, Li-ion Polymer)电池主要存在于手机中。它们很轻，而且比锂电池更轻薄。它们通常也更安全，寿命更长。然而，由于锂离子电池制造成本更低、能量密度更高，它们似乎不那么普遍。

电池和超级电容器

虽然有些类型的电池能够储存大量的能量，但它们体积很大，重量很大，释放能量很慢。另一方面，电容器能够快速充放电，但所含能量比电池少得多。然而，石墨烯在这一领域的应用为储能提供了令人兴奋的新可能性，具有高充放电率，甚至经济实惠。石墨烯改进的性能因此模糊了超级电容器和电池之间的传统界限。

图表 2石墨烯电池结合了电池和超级电容器的优点

石墨烯增强电池产品走向商业化

石墨烯基电池具有令人兴奋的潜力，虽然还没有完全商业化，但研发是密集的，有望在未来产生成果。

2018年12月，总部位于印度的Log 9 Materials公司宣布，该公司正在研发石墨烯金属空气电池，理论上，这种电池甚至可能用于制造水上电动汽车。金属空气电池采用金属为阳极，空气(氧)为阴极，水为电解质。电池的空气阴极使用石墨烯棒。由于必须使用氧气作为阴极，阴极材料必须是多孔的，以便让空气通过，这是石墨烯的优势。根据Log 9材料，电极中使用的石墨烯能够以三分之一的成本将电池效率提高五倍。

2017年11月，三星开发了一种独特的“石墨烯球”，可以让锂离子电池使用更久、充电更快。事实上，三星高级技术研究院(SAIT)表示，使用这种新型石墨烯球材料制造电池，将使电池容量增加45%，充电速度提高5倍。还有人说，三星的电池将使用这种石墨烯球材料，将能够保持60摄氏度的温度，这是电动汽车使用的要求。

2016年11月，华为发布了一款新的石墨烯增强锂离子电池，它可以在更高的温度(60°而不是现有的50°限制)下保持功能，并提供更长的运行时间——比以前电池的两倍。为了实现这一突破，华为引入了几项新技术——包括电解液中的抗分解添加剂、化学稳定的单晶阴极——和石墨烯，以促进散热。华为表示，石墨烯可以将电池的工作温度降低5度。

2014年6月，总部位于美国的Vorbeck Materials公司发布了一款名为vr - power strap的产品，这是一款轻便灵活的电源，可以连接到任何现有的包带上，支持移动充电站(通过2个USB接口和一个微型USB端口)。该产品重450克，提供7200毫安，可能是世界上第一个石墨烯增强电池。

2014年5月，美国Angstron Materials公司推出了几款新型石墨烯产品。这些产品据说将在2014年底左右上市，包括一系列用于锂离子电池的石墨烯增强阳极材料。这种电池材料被命名为“纳米GCA”，有望制成高容量阳极，通过将高容量硅与机械增强和导电石墨烯结合，能够支持数百次充放电循环。

电动汽车用石墨烯电池领域也取得了进展。亨里克•菲斯克(Henrik Fisker)宣布了其新的电动汽车项目，该项目将配备石墨烯增强电池。该项目于2016年11月推出，有望成为特斯拉的竞争对手。然而，菲斯克电池后来宣布不依赖石墨烯。

2014年8月，特斯拉建议开发一种“新电池技术”，将Model S电动汽车的产能提高近一倍。这是非官方的，但合理的假设石墨烯参与了这种电池。

许多其他公司也在致力于将石墨烯应用到各种电池中。

文章转载自公众号:石墨烯雷达