超級(jí)電容器，是介于傳統(tǒng)電容器和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、電解液、隔膜和集流體組成，其中的電極是決定超級(jí)電容器性能的核心部件。目前常用的活性炭電極是雙電層的電荷存儲(chǔ)機(jī)理，其比表面積大、穩(wěn)定性好、功率密度高但電容量小（<250法拉/克），而且現(xiàn)有儲(chǔ)能器件中所使用的電解液通常有毒有害、易燃易爆、安全穩(wěn)定性差。
為破解這一難題，中科院上海硅酸鹽所研究團(tuán)隊(duì)展開(kāi)持續(xù)攻關(guān)，通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，合成了氮摻雜有序介孔石墨烯，該材料是石墨烯廣義家族中的一種新結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)異的電化學(xué)儲(chǔ)能特性，電容量可達(dá)到855法拉/克。而且，該團(tuán)隊(duì)還研究了電極材料中結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)氮原子在石墨烯中的結(jié)構(gòu)不僅影響電極材料的氧化還原電位，還決定了電極材料的電容量。這一重要發(fā)現(xiàn)為科研人員設(shè)計(jì)高電化學(xué)活性的電極材料提供了新的思路。
事實(shí)上，石墨烯材料已被汽車(chē)電池研究專(zhuān)家廣泛采用。日前，劍橋大學(xué)化學(xué)教授克萊爾格雷和她的團(tuán)隊(duì)利用石墨烯材料攻克了鋰空氣電池開(kāi)發(fā)中的技術(shù)難關(guān)，相關(guān)成果也發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。
據(jù)介紹，鋰空氣電池通過(guò)鋰和氧結(jié)合成過(guò)氧化鋰實(shí)現(xiàn)放電，再通過(guò)施加電流逆轉(zhuǎn)這一過(guò)程而完成充電。如何可靠地令上述反應(yīng)反復(fù)發(fā)生是該技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)。克萊爾格雷用石墨烯構(gòu)造高度多孔、海綿狀的碳電極，再加入一些添加劑使之保持化學(xué)穩(wěn)定，解決了之前的鋰空氣電池易爆炸的問(wèn)題。而且如果能把該技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室的演示品轉(zhuǎn)變?yōu)樯唐罚敲雌?chē)只充一次電就能從倫敦駛到愛(ài)丁堡（約650公里），所用電池的成本和重量卻只有現(xiàn)在鋰離子電池的1/5。
此外，韓國(guó)三星電子也在進(jìn)行旨在硅表面添加石墨烯涂層的硅基陽(yáng)極物質(zhì)的研究。他們通過(guò)在碳化硅電極的表面涂石墨烯涂層，有效地?cái)U(kuò)展了陽(yáng)極的表面積。同時(shí)與陰極所使用的鋰鈷氧化物進(jìn)行組合，使電池的充電電源的單位體積能量密度有較大的提高，其壽命也增加到鋰離子蓄電池的1.5至1.8倍。
“這些研究成果都表明，在電極中添加石墨烯材料，可以明顯改善電池的充電速度、循環(huán)穩(wěn)定性、使用壽命和能量密度。”王濤表示，不管石墨烯能否成為下一代電池的正負(fù)極材料，合理正確使用石墨烯這一新材料，能夠促進(jìn)電池向更高性能發(fā)展是業(yè)內(nèi)一致認(rèn)可的。
真正上路尚需時(shí)日
石墨烯材料在電池上的應(yīng)用前景毋庸置疑，然而石墨烯電池真正從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化，還有很長(zhǎng)的路要走。
“在討論石墨烯如何應(yīng)用于電池之前，獲得合格石墨烯產(chǎn)品是第一關(guān)。”王濤介紹，石墨烯的獨(dú)特結(jié)構(gòu)是把雙刃劍，在帶來(lái)優(yōu)異特性的同時(shí)，也為其產(chǎn)業(yè)化增加了難度。
據(jù)了解，二維材料之前從來(lái)沒(méi)有獲得過(guò)，石墨烯只是科學(xué)家的一個(gè)假想。2004年，英國(guó)物理學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫根據(jù)兩塊石墨相互摩擦就會(huì)有一片石墨被整體剝離的特性，發(fā)明了制造二維石墨烯的“透明膠法”：他們通過(guò)光束、電子束和原子力顯微鏡等設(shè)備來(lái)操作，用足夠強(qiáng)力的透明膠粘住石墨層的兩個(gè)面并把它撕開(kāi)，然后不斷重復(fù)，直到獲得只有一層原子厚的石墨烯。這是個(gè)復(fù)雜工程，因?yàn)?毫米厚的石墨薄片能剝離出300萬(wàn)層石墨烯，兩人也因此獲得了2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
然而，這種在實(shí)驗(yàn)室獲取的方法難度太大、成本太高，限制了石墨烯材料產(chǎn)業(yè)化的步伐。而且，即使是獲得了產(chǎn)業(yè)化的石墨烯材料，也只是制造石墨烯電池的第一步，真正應(yīng)用到電動(dòng)汽車(chē)上，還需要等更長(zhǎng)的時(shí)間。
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