什么是石墨烯電池?

石墨烯和電池

石墨烯是一種由碳原子構(gòu)成的細(xì)胞晶格結(jié)構(gòu)，由于其無數(shù)驚人的特性，被廣泛認(rèn)為是一種神奇材料。它是電和熱能的強(qiáng)大導(dǎo)體，具有非常輕的化學(xué)惰性和很大的比表面積。它也被認(rèn)為是環(huán)境友好的和可持續(xù)的，有無數(shù)的應(yīng)用可能性。

石墨烯電池的優(yōu)勢

在電池領(lǐng)域，傳統(tǒng)的電池電極材料(以及未來的電池電極材料)在石墨烯強(qiáng)化后得到了顯著的改善。石墨烯電池輕巧耐用，適合大容量存儲，可縮短充電時間。它可以延長電池的壽命，而電池的壽命與涂覆在材料上或添加到電極上以獲得電導(dǎo)率的碳量呈負(fù)相關(guān)。石墨烯新增了導(dǎo)電性，而不要傳統(tǒng)電池中使用的碳量。

石墨烯可以通過多種方式改善電池的性能，如能量密度和形狀。鋰離子電池(以及其他類型的可充電電池)可以通過將石墨烯引入電池的陽極，利用材料的導(dǎo)電性和大的表面積特性來優(yōu)化其形態(tài)和性能。

制造混合材料也被發(fā)現(xiàn)有助于增強(qiáng)電池。例如，氧化釩(VO2)和石墨烯的混合物可用于鋰離子陰極，充放電快，充電周期長。在這種情況下，VO2具有高能量容量，但導(dǎo)電性較差，這可以通過將石墨烯作為結(jié)構(gòu)骨架并將VO2附著在其上而得到解決，從而創(chuàng)造出一種既具有高容量又具有良好導(dǎo)電性的混合材料。

另一個例子是LFP(磷酸鐵鋰)電池，一種可充電的鋰離子電池。它的能量密度比其他鋰離子電池低，但功率密度更高(這是電池供應(yīng)能量的速率的一個指標(biāo))。石墨烯增強(qiáng)的LFP陰極使電池更輕，充電速度比鋰離子電池快得多，比傳統(tǒng)的LFP電池容量更大。

石墨烯電池和石墨烯超級電容器的組合，不僅能徹底改變電池市場，還能出現(xiàn)驚人的效果，比如著名的電動汽車?yán)m(xù)航里程和效率提升的概念。雖然石墨烯電池還沒有廣泛商業(yè)化，但世界各地都有有關(guān)電池突破的報道。

電池基本知識

電池作為一種便攜式電源，使電力設(shè)備無需直接插入插座即可運(yùn)行。雖然有很多種電池，但它們工作原理基本相似:一個或多個電化學(xué)電池將儲存的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。電池通常由金屬或塑料外殼制成，包括正極(陽極)、負(fù)極(陰極)和允許離子在它們之間移動的電解質(zhì)。

分離器(一種可滲透的聚合物薄膜)在陽極和陰極之間形成了一道屏障，以預(yù)防短路，同時允許離子電荷載體的傳輸，當(dāng)電流通過時，離子電荷載體要關(guān)閉電路。最后，使用集電極通過連接的設(shè)備對電池進(jìn)行外部充電。

什么是石墨烯電池?

當(dāng)兩個端子之間的電路完成后，電池通過一系列的反應(yīng)來發(fā)電。氧化發(fā)生在陽極，電解液中的兩個或兩個以上的離子與陽極結(jié)合，出現(xiàn)釋放電子的化合物。同時，陰極被還原，陰極材料、離子和自由電子被合成化合物。簡而言之，陽極反應(yīng)出現(xiàn)電子，而陰極反應(yīng)吸收電子并在此過程中出現(xiàn)電。電池將繼續(xù)發(fā)電，直到電極耗盡出現(xiàn)反應(yīng)所需的材料。

電池類型及特性

電池重要有兩種類型:初級電池和次級電池。一次電池(一次性電池)，電極材料在充電過程中發(fā)生不可逆變化，使用后失效。常見的例子是用于玩具、手電筒和許多便攜設(shè)備的鋅碳電池和堿性電池。二次電池(可充電的)，可以多次放電和充電，因?yàn)樵瓉淼慕M成電極可以恢復(fù)功能。例如汽車用的鉛酸蓄電池和便攜式電子產(chǎn)品用的鋰離子電池。