2015年11月下旬,某通信设备企业高调发表了其最新产品。该产品采用石墨烯作为电池材料,可大大缩短充电时间,提高电池的充电容量。这份报道一举引发众人的瞩目,并将社会对石墨烯的关注程度提高到新的高度。
一、石墨烯是什么?
从百度百科中,我们可以知道:
1. 石墨烯(Graphene)是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。
2. 石墨烯既是最薄的材料,也是最强韧的材料,断裂强度比最好的钢材还要高200倍。同时它又有很好的弹性,拉伸幅度能达到自身尺寸的20%。它是目前自然界最薄、强度最高的材料。
3. 石墨烯是目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料,石墨烯被称为“黑金”。
一句话,石墨烯是一种纳米数量级的材料,具有高强度、高弹性和高导电性等性质。
作为一种纳米材料,石墨烯给人的最初印象是,它可能成为一种制造太空电梯材料的候补。即使在百度百科中,石墨烯的电学性能也仅仅占其性能的一部分。如果不是在第三点中“顺便”提了一下其高导电性的话,仅从定义中很难找到石墨烯和电池的关系。
不过,纳米材料是人类没有涉及到的一类世界,我们从宏观世界中所得到的种种“常识”,在微观世界里并不能很好地再现。
如果说,纳米数量级的石墨烯能够对提高电池的性能有什么帮助的话,需要从电池的原理上进行分析。
二、电极材料与电池容量的关系
我们知道:从微观的角度看蓄电池的充放电过程,实际上是一个阳离子在电极中“镶嵌”和“脱离”的过程。所以,如果电极材料中的孔洞越多,则这个过程进行的越迅速。在宏观的角度看则表现为蓄电池充放电的速度越快。
石墨烯的微观构造,是一个由碳原子所组成的网状结构。因为具有极限的薄度(只有一层原子的厚度),所以阳离子的移动所受限制很小。同时正因为具有网状结构,由石墨烯所制成的电极材料也拥有充分的孔洞。
从这个方面看,石墨烯无疑是一种非常理想的电极材料。
据位于美国纽约州的伦斯勒理工学院(RPI,Rensselaer Polytechnic Institute)的研究者的研究表明:使用石墨烯作为电池的样机材料,其充放电速度将超过锂离子蓄电池的10倍。
三、石墨烯研究的现状
美国普渡大学(Purdue University)正在研究通过新的、更加简单的方式制造纳米电极材料的工艺。该大学的研究表明,在电池中使用纳米材料,将会增加电池的充电容量和充放电速度。
目前,韩国的三星电子也在从事旨在硅表面添加石墨烯涂层的硅基阳极物质的研究。如果该研究能够取得成功,锂离子蓄电池的寿命将会提高到2倍以上。
该研究综合了硅基材料寿命长和石墨烯材料充电容量大的优点,重点解决如何在硅基材料上建立石墨烯涂层的工艺化问题。
三星的研究人员通过在碳化硅电极的表面涂布石墨烯涂层,有效地扩展了阳极的表面积。同时与阴极所使用的锂钴氧化物进行组合,使电池的充电电源的单位体积能量密度油料较大的提高,其寿命也增加到母线市场销售的锂离子蓄电池的1.5-1.8倍。
2015年9月2日,据日本的科学技术振兴机构(JST)与日本东北大学的原子分子材料科学高等研究机构(AIMR)发表,在作为下一代蓄电池而被热切期待的锂空气电池中,通过使用具备三维构造的多孔材质石墨烯作为阳极材料,获得了较高的能量利用效率和100次以上的充放电性能。如果电动车使用这种新型电池,则巡航里程将从目前的200公里左右增加到500-600公里左右。