锂离子电池的衰落 将迎接石墨烯电池的兴起

对电动汽车 (EV) 和智能手机最常见的批评是充电时间过长。

为什么会有人想要驾驶一辆需要超过一分钟的充电时间的汽车？然而，想象一下电动汽车的电池充电速度极快且行驶里程长，或者想象一部智能手机只需不到一分钟的时间。尽管这似乎不可能，但石墨烯电池的进步正在将这些可能性变为现实。

锂离子电池的衰落

  锂基电池因其高能量密度而被公认为是有前途的储能应用替代品之一。这些电池为我们的电脑、智能手机甚至汽车供电。 锂离子电池仍然存在的一个问题是安全性。锂离子电池内的液体高度易燃。电池外层的任何损坏都可能导致短路，从而导致火灾和爆炸。例如，2016 年，智能手机的突然爆发导致全球数名用户遭受一级烧伤。 在过去的几年里，电动汽车中使用的锂离子电池已经获得了广泛的冷却系统。然而，这种冷却系统占用了大量可用于储能的空间。 锂离子电池的另一个问题是可回收性。锂离子电池中的大部分部件都不具有生物相容性，使得可回收过程非常昂贵。 最后，电池的功率密度低。以智能手机为例：由于其高能量密度，电池可以使用一天的大部分时间；要为设备充电，必须将其连接到另一个电源一小时或更长时间。    

石墨烯的承诺

石墨烯是单原子厚的碳原子片，相对表面积为 2,630 m 2 /g，在存储电荷方面表现出色，在长期循环中几乎不会降解。石墨烯中的键使石墨烯的抗拉强度是钢的四倍以上，同时具有超透明、柔韧和出色的电和热导体。这些特性使石墨烯不仅适合用于电池，还适合用于超级电容器。 然而，石墨烯超级电容器存储的能量不如电池多，但它可以在几分钟内充满电。因此，为了克服石墨烯超级电容器的低能量密度，科学家们开始研究超级电容器和电池的耦合作为混合储能系统。

石墨烯-铝混合电池

澳大利亚昆士兰大学的研究人员与石墨烯制造集团合作，开发了一种基于石墨烯的混合电池原型。这种电池使用石墨烯和铝作为电极材料，一般被称为石墨烯铝电池。电池能量密度为150-160 Wh/kg，1-5分钟即可极速充电。 此外，石墨烯铝离子电池在电池安全性、可回收性和更长的电池寿命（超过 2000 次循环）方面具有显着优势，性能几乎没有下降。 根据最新信息，石墨烯制造集团 (GMG) 宣布，它已生产出袋状电池形式的石墨烯铝离子电池，用于智能手机、平板电脑、笔记本电脑等。 据GMG称，这些电池的理论能量极限约为1050 Wh/Kg。因此，随着进一步的发展，我们很快可以期待石墨烯电池的能量超过商用电池。

石墨烯增强型锂硫电池

石墨烯混合电池发展的分水岭出现在 2021 年底，当时总部位于加州的 Lyten 公司宣布，他们已经开发出一种用于电动汽车的石墨烯电池，其能量密度是传统锂离子电池的三倍。 这些电池是锂硫 (Li-S) 电池，长期以来一直被吹捧为下一代可充电电池。然而，锂硫电池在实际应用中面临的挑战是在放电循环中形成可溶性多硫化物。这些中间物质在阳极和阴极之间扩散并导致内部短路。这种现象通常被称为穿梭效应，它是导致 Li-S 电池效率低下和容量衰减快的原因。 Lyten 在硫阴极中加入了 3D 石墨烯膜来克服这个问题，它作为一种有效的隔板并降低了循环容量衰减率。 该产品名为 LytCell EV，据报道可提供 900 Wh/kg 的能量密度。测试显然表明，LytCell 原型可以维持超过 1,400 次充放电循环。

石墨烯增强聚合物电池

PolyJoule 是麻省理工学院 (MIT) 的衍生公司，最近宣布了一种用于大功率数据中心备份和电网应用的新电池技术。该装置是一种具有碳-石墨烯混合物和导电聚合物的双电极电化学电池。电池可在 10 秒内释放高达 1 MW 的电量，并在 5 分钟内充电。它的电压范围为 158 V 至 972 V，可在 -40 °C 至 50 °C 的温度范围内连续工作，且容量损失最小。

石墨烯不燃锂电池

当锂离子电池短路时，会导致电池着火，这引发了人们对其在消费产品中的使用的担忧。这是由于锂离子电池中含有易燃电解质。总部位于美国的 Nanotech Energy 开发了一种不易燃的石墨烯锂离子电池组，既安全又环保。他们在锂电池中使用石墨烯作为电极材料，并开发了一种名为 OrganoLyte TM的廉价非易燃电解质。 据说该电池的能量密度为 162.5 Wh/kg，在 80% 的容量下可以承受超过 1400 次循环（近 10 年）。 电池完全防火，适用于所有天气条件。相比之下，传统的锂电池只能承受 300-500 次循环（大约两到三年）。根据最新消息，该公司已开始接受预订，电池可能会定制用于电动汽车、计算机和军事应用。    

石墨烯电池的未来

特斯拉最近宣布，他们的 Model 3 电池的能量密度接近 260 Wh/kg。尽管如此，它仍需要复杂的冷却系统来防止过热，因此占用了大量空间。另一方面，由于石墨烯电池不会过热或爆炸，因此不需要冷却系统，该空间可用于电动汽车的储能电池。 石墨烯电池技术突破，中国汽车公司广汽汽车有限公司宣布推出AION V汽车，其石墨烯电池续航里程可达1000公里，可在8分钟内充电至80%容量。毫无疑问，石墨烯电池的持续商业化将很快因其更广泛的应用而超越传统电池。

编辑：黄飞