石墨烯電池是什么？

石墨烯電池，利用鋰離子在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運動的特性，開發(fā)出的一種新能源電池。

2016年12月1日，華為中央研究院瓦特實驗室宣布其在鋰離子電池領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)重大研究突破：推出業(yè)界首個高溫長壽命石墨烯基鋰離子電池。

技術(shù)應(yīng)用

隨著批量化生產(chǎn)以及大尺寸等難題的逐步突破，石墨烯的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用步伐正在加快，基于目前已有的研究成果，最先實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的領(lǐng)域可能會是移動設(shè)備、航空航天、新能源電池領(lǐng)域。消費電子展上可彎曲屏幕備受矚目，成為未來移動設(shè)備顯示屏的發(fā)展趨勢。柔性顯示未來市場廣闊，作為基礎(chǔ)材料的石墨烯前景也被看好。有數(shù)據(jù)顯示2013年全球?qū)κ謾C觸摸屏的需求量大概在9.65億片。到2015年，平板電腦對大尺寸觸摸屏的需求也將達到2.3億片，為石墨烯的應(yīng)用提供了廣闊的市場。韓國三星公司的研究人員也已制造出由多層石墨烯等材料組成的透明可彎曲顯示屏，相信大規(guī)模商用指日可待。另一方面，新能源電池也是石墨烯最早商用的一大重要領(lǐng)域。之前美國麻省理工學(xué)院已成功研制出表面附有石墨烯納米圖層的柔性光伏電池板，可極大降低制造透明可變形太陽能電池的成本，這種電池有可能在夜視鏡、相機等小型數(shù)碼設(shè)備中應(yīng)用。另外，石墨烯超級電池的成功研發(fā)，也解決了新能源汽車電池的容量不足以及充電時間長的問題，極大加速了新能源電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。這一系列的研究成果為石墨烯在新能源電池行業(yè)的應(yīng)用鋪就了道路。由于高導(dǎo)電性、高強度、超輕薄等特性，石墨烯在航天軍工領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢也是極為突出的。前不久美國NASA開發(fā)出應(yīng)用于航天領(lǐng)域的石墨烯傳感器，就能很好的對地球高空大氣層的微量元素、航天器上的結(jié)構(gòu)性缺陷等進行檢測。而石墨烯在超輕型飛機材料等潛在應(yīng)用上也將發(fā)揮更重要的作用。2016年12月1日，華為中央研究院瓦特實驗室宣布其在鋰離子電池領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)重大研究突破：推出業(yè)界首個高溫長壽命石墨烯基鋰離子電池。但是，目前華為的石墨烯基電池主要應(yīng)用于通信基站的儲能業(yè)務(wù)，以及助力電動車和無人機等領(lǐng)域，尚不清楚何時在智能手機上使用。

電池優(yōu)點

石墨烯是目前發(fā)現(xiàn)的最薄、最堅硬、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強的一種新型納米材料。石墨烯被稱為“黑金”，是“新材料之王”，科學(xué)家甚至預(yù)言石墨烯將“徹底改變21世紀(jì)?！庇腥さ氖牵┱Q生并沒有使用“高大上”的科學(xué)技術(shù)，而是由英國曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家用透明膠帶從石墨晶體上“粘”出來的。石墨烯目前最有潛力的是成為硅的替代品，制造超微型晶體管，用來生產(chǎn)未來的超級計算機。據(jù)相關(guān)專家分析，用石墨烯取代硅，計算機處理器的運行速度將會快數(shù)百倍。而近日，美國麻省理工學(xué)院的科學(xué)家通過研究發(fā)現(xiàn)，在特定情況下，石墨烯能夠被轉(zhuǎn)化成具有獨特功能的拓?fù)浣^緣體。這一研究發(fā)現(xiàn)，有望帶來一種制造量子計算機的新方法。其次，石墨烯能助力超級電容器、鋰離子電池的發(fā)展。據(jù)相關(guān)資料顯示，加入石墨烯材料，同等體積的電容可擴充5倍以上的容量，而鋰電池電極中加入石墨烯則可大幅度提高其導(dǎo)電性能。此外，石墨烯還可應(yīng)用于電路、觸摸屏、基因測序以及制造出羽翼般超輕型飛機、超堅韌防彈衣等領(lǐng)域。折疊電動汽車產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)車輛輕量化現(xiàn)有的電動汽車的較長續(xù)駛里程往往是通過堆砌電池來實現(xiàn)的。車輛搭載數(shù)百公斤甚至半噸重的動力電池，如同頂著磨盤跳舞——自身受罪不說，戲還不好看。犧牲了有限的空間、增大了消費者對車輛安全性和充電便利性的擔(dān)心、抬高了車輛價格，得不償失。石墨烯納米材料厚度薄、硬度高、韌性好、重量輕、導(dǎo)電性佳、透明特好，有希望廣泛應(yīng)用于鋰離子電池、超級電容器、太陽能電池、生物質(zhì)材料、傳感器、超高頻電子、光電子設(shè)備、藥物載體，以及用作觸摸屏、液晶顯示屏、保護膜、選擇性過濾滲透膜以及替代半導(dǎo)體晶硅等。正因如此，2004年通過機械剝離法獲得世界上首批石墨烯的兩位科學(xué)家，榮獲了2010年諾貝爾物理學(xué)獎。應(yīng)用石墨烯材料制成的新型電池，尺寸和重量均將變小，而且能量儲存密度得到了數(shù)十倍的提高，提高了車輛的行駛效率。更重要的是，它大大縮短了充電時間，方便了消費者。減少充電時間橫空出世的石墨烯，使得長期以來，困擾業(yè)界人士的動力電池充電的瓶頸問題迎刃而解。電池的充電時間，從以前的小時為單位，一下子變?yōu)橐苑昼娚踔烈悦霝閱挝?。使得電動汽車的充電，幾乎可以與傳統(tǒng)汽車的加油快捷性相媲美，甚至過之而無不及。韓國科學(xué)家宣布其研制的多孔石墨烯超級電容，在儲存電量相同的前提下，充電時間令人咂舌的縮短到了僅僅16秒。

美國俄亥俄州的Nanotek儀器公司利用鋰離子在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運動的特性，開發(fā)出一種新的電池。這種新的電池可把數(shù)小時的充電時間壓縮至短短不到一分鐘。分析人士認(rèn)為，未來一分鐘快充石墨烯電池實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化后，將帶來電池產(chǎn)業(yè)的變革，從而也促使新能源汽車產(chǎn)業(yè)的革新。作為導(dǎo)電性、機械性能都很優(yōu)異的材料，素來有"黑金子"之稱的石墨烯目前在中國市場上的價格近十倍于黃金，超過2000元/克。[3]新型石墨烯電池實驗階段的成功，無疑將成為電池產(chǎn)業(yè)的一個新的發(fā)展點。電池技術(shù)是電動汽車大力推廣和發(fā)展的最大門檻，而目前的電池產(chǎn)業(yè)正處于鉛酸電池和傳統(tǒng)鋰電池發(fā)展均遇瓶頸的階段，石墨烯儲能設(shè)備的研制成功后，若能批量生產(chǎn)，則將為電池產(chǎn)業(yè)乃至電動車產(chǎn)業(yè)帶來新的變革。由于其獨有的特性，石墨烯被稱為"神奇材料"，科學(xué)家甚至預(yù)言其將"徹底改變21世紀(jì)"。曼徹斯特大學(xué)副校長Colin Bailey教授稱："石墨烯有可能徹底改變數(shù)量龐大的各種應(yīng)用，從智能手機和超高速寬帶到藥物輸送和計算機芯片。"最近美國加州大學(xué)洛杉磯分校的研究人員就開發(fā)出一種以石墨烯為基礎(chǔ)的微型超級電容器，該電容器不僅外形小巧，而且充電速度為普通電池的1000倍，可以在數(shù)秒內(nèi)為手機甚至汽車充電，同時可用于制造體積較小的器件。微型石墨烯超級電容技術(shù)突破可以說是給電池帶來了革命性發(fā)展。目前主要制造微型電容器的方法是平板印刷技術(shù)，需要投入大量的人力和成本，阻礙了產(chǎn)品的商業(yè)應(yīng)用。而現(xiàn)在只需要常見的DVD刻錄機，甚至是在家里，利用廉價材料30分鐘就可以在一個光盤上制造100多個微型石墨烯超級電容。正是看到了石墨烯的應(yīng)用前景，許多國家紛紛建立石墨烯相關(guān)技術(shù)研發(fā)中心，嘗試使用石墨烯商業(yè)化，進而在工業(yè)、技術(shù)和電子相關(guān)領(lǐng)域獲得潛在的應(yīng)用專利。歐盟委員會將石墨烯作為"未來新興旗艦技術(shù)項目"，設(shè)立專項研發(fā)計劃，未來10年內(nèi)撥出10億歐元經(jīng)費。英國政府也投資建立國家石墨烯研究所(NGI)，力圖使這種材料在未來幾十年里可以從實驗室進入生產(chǎn)線和市場。中國在石墨烯研究上也具有獨特的優(yōu)勢，從生產(chǎn)角度看，作為石墨烯生產(chǎn)原料的石墨，在我國儲能豐富，價格低廉。另外，批量化生產(chǎn)和大尺寸生產(chǎn)是阻礙石墨烯大規(guī)模商用的最主要因素。而我國最新的研究成果已成功突破這兩大難題，制造成本已從5000元/克降至3元/克，解決了這種材料的量產(chǎn)難題。利用化學(xué)氣相沉積法成功制造出了國內(nèi)首片15英寸的單層石墨烯，并成功地將石墨烯透明電極應(yīng)用于電阻觸摸屏上，制備出了7英寸石墨烯觸摸屏。中科院重慶綠色智能技術(shù)研究院的研究人員在展示單層石墨烯產(chǎn)品的超強透光性和柔性。隨著研究的不斷深入，技術(shù)難題的接連攻克，應(yīng)用范圍也在不斷拓寬，相信石墨烯器件時代已為期不遠，現(xiàn)在也可以期待一下這一"21世紀(jì)的神奇材料"會帶來怎樣的驚喜。

石墨烯電池或?qū)⒁I(lǐng)改革：充電10分鐘跑1000公里。西班牙Graphenano公司(一家以工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)石墨烯的公司)同西班牙科爾瓦多大學(xué)合作研究出首例石墨烯聚合材料電池，其儲電量是目前市場最好產(chǎn)品的三倍，用此電池提供電力的電動車最多能行駛1000公里，而其充電時間不到8分鐘。雖然此電池具有各種優(yōu)良的性能，但其成本并不高。Graphenano公司相關(guān)負(fù)責(zé)人稱，此電池的成本將比鋰電池低77%，完全在消費者承受范圍之內(nèi)。此外，在汽車燃料電池等領(lǐng)域，石墨烯還有望帶來革命性進步。