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石墨烯电池出现了充电只需几秒钟
发布时间:2021-02-28 18:29    文章作者:365平台

  电容对于电池来讲也是比较重要的,因为这关乎到了电量的多少,并且电容本身的材质在很多时候也是具有决定性的作用的,因为电容能够决定电池的重量,电量,特性等等,因此人们在开发新的电池时候,会更多的去进行新材料的开发,比如说石墨烯电池就是其中的一个,电池是一种非常神奇的电池,不过石墨烯材料本身是被当成了一种电容介质来进行使用的,虽然说在实验的阶段已经完成,但是石墨烯电池的市场推广使用还是有一段路需要进行的,不过如果这种材质的电池成功的开发成功并且开始应用的话,那么理论的充电时间之需要几秒钟就可以完成,绝对是一种新能源的最佳选择,本文就来详细的为大家介绍以下石墨烯电池的相关信息,带大家来了解一下石墨烯这种材质的特性。

  石墨烯,是指从石墨材料中提取出来的二维晶体,它是于2004年被英国的物理学家所发现的一种新型材料。在石墨烯的研究和应用过程中,部分专家学者发现它在许多方面可以用来替代硅材料,用于计算机的生产和制造。石墨烯质地十分轻薄,但是也具有超强的韧性,作为密度极高的石墨烯,它被提取之后几乎是透明的,部分相关学者称它将成为改造世界发展的主要材料之一。

  由于石墨烯的透光度高达百分之九十七以上,这使它可以被充分的应用到光伏领域当中,而在太阳能电池材料中的应用,充分的发挥出了石墨烯的基本特点。

  实际上石墨烯本来就存在于自然界,只是难以剥离出单层结构。石墨烯一层层叠起来就是石墨,厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。铅笔在纸上轻轻划过,留下的痕迹就可能是几层甚至仅仅一层石墨烯。

  石墨烯对物理学基础研究有着特殊意义,它使一些此前只能纸上谈兵的量子效应可以通过实验来验证,例如电子无视障碍、实现幽灵一般的穿越。但更令人感兴趣的,是它那许多“极端”性质的物理性质。

  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%。如果用一块面积1平方米的石墨烯做成吊床,本身重量不足1毫克可以承受一只猫的重量。

  难以想象的是,石墨本身几乎是最软的矿物质(莫氏硬度只有1~2级),“切”成一个碳原子厚度的薄片时,“性格”会发生如此之大的变化,石墨烯的硬度比莫氏硬度10级的金刚石还要高,但却又有很好的韧性,可以弯曲。

  石墨烯的诞生倒是一件趣事。当时盖姆把一大块儿高定向热解石墨和一台高级抛光机交给了一位新来的中国博士生,希望他做出尽可能薄的膜。三个星期后博士生给了盖姆一个10微米厚的培养皿。盖姆生气地问他能不能磨得更薄?博士生说:“那你就自己试试吧。”

  盖姆只得自己做了,不过他采用了一种非常“土”的方法。他用透明胶带在石墨上粘一下就会有石墨层被粘在胶带上,把胶带对折后粘一下再拉开,两端就都沾有石墨层,石墨层又变薄了。如此反复多次,终于薄到只有一个碳原子的厚度时,石墨烯就制成了。

  在发现石墨烯以前,大多数物理学家认为,热力学涨落不允许任何二维晶体在有限温度下存在。所以,它的发现立即震撼了凝聚体物理学学术界。虽然理论和实验界都认为完美的二维结构无法在非绝对零度稳定存在,但是单层石墨烯在实验中被制备出来。

  在随后三年内, 安德烈.海姆和康斯坦丁.诺沃肖洛夫在单层和双层石墨烯体系中分别发现了整数量子霍尔效应及常温条件下的量子霍尔效应,他们也因此获得2010年度物理学诺贝尔奖。

  最薄、最坚硬、最导热、最导电,这所有的光环都在告诉人们,石墨烯是一种多么神奇的材料!但是专业人士JFD提醒,国际上对Graphene的定义是1-2层的nanosheet才能称之为是Graphene,并且只有没有任何缺陷的石墨烯才具备这些完美特性,石墨烯材料具有以下的优点。

  石墨烯是已知的最柔韧的材料,且抗压力非常高。普通的石墨烯包装袋可提起一辆2吨重的汽车。

  一般来说,氧化石墨烯是由石墨经强酸氧化,然后再经过化学还原或者热冲击还原得到。目前市场上所谓的“石墨烯”绝大多数都是通过氧化-还原法生产的氧化石墨烯,石墨片层数目不等,表面存在大量的缺陷和官能团,无论是导电性、导热性还是机械性都跟获得诺贝尔奖的石墨烯是两回事。严格意义上而言,它们并不能称为 “石墨烯”。石墨烯的提取方法有以下的一些方式途径。

  溶剂剥离法的原理是将少量的石墨分散于溶剂中形成低浓度的分散液,利用超声波的作用破坏石墨层间的范德华力,溶剂插入石墨层间,进行层层剥离而制备出石墨烯。此方法不会像氧化-还原法那样破坏石墨烯的结构,可以制备高质量的石墨烯。缺点是成本较高并且产率很低,工业化生产比较困难。

  氧化-还原法是指将天然石墨与强酸和强氧化性物质反应生成氧化石墨(GO),经过超声分散制备成氧化石墨烯,然后加入还原剂去除氧化石墨表面的含氧基团后得到石墨烯。氧化-还原法制备成本较低容易实现,成为生产石墨烯的最主流方法。

  但是该方法所产生的废液对环境污染比较严重,所制备的石墨烯一般都是多层石墨烯或者石墨微晶而非严格意义上的石墨烯,并且产品存在缺陷而导致石墨烯部分电学和力学性能损失。

  化学气相沉积法主要用于制备石墨烯薄膜,高温下甲烷等气体在金属衬底(Cu箔)表面催化裂解沉积然后形成石墨烯。CVD法的优点在于可以生长大面积、高质量、均匀性好的石墨烯薄膜,但缺点是成本高工艺复杂存在转移的难题,而且生长出来的一般都是多晶。

  当年Geim研究组就是利用3M的胶带手工制备出了石墨烯的,但是这种方法产率极低而且得到的石墨烯尺寸很小,该方法显然并不具备工业化生产的可能性。

  石墨烯电池其实并不是真正的电池,而是一种新材料超级电容。在此之前,超级电容已经广泛应用于电动车、混动汽车和大功率输出设备等领域,作为一种电化学储能装置,其性能介于传统电容和电池之间,具有功率密度高,循环寿命长以及安全可靠等特点,但是能量密度却是其最大的软肋。

  为了解决这个问题,科研工作者只能在新材料上下功夫。经过多年研究,最后发现氮掺杂有序介孔石墨烯的性能表现最佳,不仅能实现高能量密度和高功率密度,而且还具有无毒环保,体积轻重量小,成本低廉易于规模生产,性能安全可靠,不易燃也不易爆等等优势,实为超级电容之最佳材料,可谓是居家必备,老少咸宜……

  正因如此,氮掺杂有序介孔石墨烯超级电容无论是性能还是成本,都比目前实际应用的所有种类的电池更具优势,且在快速充放电方面更是将锂电池甩出几条街,完全可以替代掉原先的电动车电池组成为新的储能设备。所以,该超级电容被冠以“石墨烯电池”的名头见诸各大媒体。

  然而就本质来说,石墨烯电池并不是真正的电池,如果说超级电容相当于电脑中的内存,电池相当于电脑中的机械硬盘,而石墨烯电池其实就相当于固态硬盘——尽管都有“储存”上的功能体现以及储存容量的限定,但就原理而言,固态硬盘和机械硬盘其实并不是一回事,固态硬盘的工作原理更接近于内存。

  石墨烯是碳原子以SP2混成轨域显峰晶格排列构成单式二维晶体,是碳原子和其共价键所形成的原子尺寸网络,即碳原子层面的石墨。主要原料石墨,在我国来源广泛,每吨石墨成本380元。石墨烯可以采用机械法和化学分散发来制得,增值空间巨大。

  金属的导电机理是金属阳离子以密堆积的形式“浸没”在电子的海洋里,金属是通过自由电子的定向移动来导电的。但金属键是不牢固的。所以,金属常常会出现空穴或杂原子等晶体缺陷,破坏了金属的规则的晶体结构,当电子经过这些缺陷时,就容易发生散射等现象,降低了电子定向移动的速度,影响了导电性。

  由于石墨烯所有原子均参与了离域,所以其整个片层上下两侧电子都可以自由移动。并且由于共价单键的稳定性,石墨烯不会出现某位置碳原子的缺失或被杂原子替换,保证了大π键的完整性,电子在其中移动时不会受到晶体缺陷的干扰,得以高速传导,因此石墨烯有着超强的导电性。石墨烯最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速的1/300,远远超过了电子在一般导体中的运动速度。

  美国俄亥俄州Nanotek仪器公司的研究人员利用锂离子可在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性,开发出一种新型储能设备,可以将充电时间从过去的数小时之久缩短到十几分钟。

  目前市场上电动自行车的电池主要有四种:即阀控铅酸免维护蓄电池、胶体铅酸蓄电池、镍氢蓄电池和锂离子蓄电池。现在的电动车上绝大多数装的是铅酸蓄电池,因为铅酸蓄电池成本低,但是目前市场上的电动车电池都需要较长的充电时间普通的在六七小时左右,甚至有需要更长时间的,对于使用来讲不是很方便。

  将石墨烯加入到电动自行车的锂电池中,石墨烯具有非同寻常的导电性能。在石墨烯中,电子能够极为高效地迁移,它的电子能量不会被损耗,这样的特性会使电动自行车电池的充电时间大大的缩短并且会使其性能更加优异,加上电动自行车本来就就是很方便而且节能环保的优质工具会得到更多人们的青睐。

  由此看来,以新材料石墨烯为电极的新型大容量快速充电电池有望填补市场空白。首先电子在石墨烯电极中的运动速度可达到光速的1/300,应用石墨烯电极,可大大减少充电时间;可改善传统电池充电时间长,动力不足的问题。

  同时生产石墨烯电池,在全球范围内具有超前性,符合市场需求。它能把传统的重污染电池产业升级成新兴环保高科技产业,促进了产业升级,对促进高新产业发展,拉动内需,提高我国电池工业技术水平,具有一定的意义。

  “据《世界报》消息,西班牙Graphenano公司(一家以工业规模生产石墨烯的公司)同西班牙科尔瓦多大学合作研究出首例石墨烯聚合材料电池,其储电量是目前市场最好产品的三倍,用此电池提供电力的电动车最多能行驶1000公里,而其充电时间不到8分钟。”。

  事实上,为了找到理想材料,科学家可是费尽了心思。终于,中科院研究发现,氮掺杂有序介孔石墨烯的性能表现最佳。

  优势:实现高能量密度、高功率密度;而且还可以通过使用水基电解液,做到无毒、环保;价格低廉、安全可靠。

  但是,but,该石墨烯电池号称充电7秒钟,续航35公里,可想而知对充电功率的要求会极高! 从实验室到工厂再到市场,它还有很远的路要走。

  据统计,2010年,江苏雅迪电动车销售总量为486000台,北京日新销量为437000台,浙江金华绿源为301000台,常州速派为387500台,天津富士达为228000台,青岛澳柯玛为186000台,而这些仅占电动车市场中的一小部分,做为其消耗品,电动自行车的平均寿命仅有18个月,相对于电动车寿命来说,电池的可持续消费能力强,电池的前景一片光明。

  目前,我国市场经济正处于从劳动密集型向技术密集型转变的过程,国家推出多项措施鼓励高新技术的发展,对高科技企业有政策性的扶持。所以投资石墨烯项目应该是大有可为。而石墨为石墨烯电池的主要原料,我国有大量储备,物美价廉。原料市场成熟,价格稳定。而采用大批量采购的方式则可以争取更低价格的。

  目前,国内应用石墨烯电池的制造技术在行业中还属于空白,所以投资前景还是很好的。以天津市每年的电池更换量在30万左右,预计第一年目标占领市场约为5%,根据市场调查结果,做出估计。在人工和设备的相关预算中,预计第一年运行两条产线,第二年三条生产线同时运行。

  假定,资金成本率取较严格10%(目前的净现值计算取资金成本率为8%)计算,根据相关计算,五年的净现值计算后为64.0134万元,净现值大于现值,此项目的盈利能力较为乐观,值得投资;现值指数计算后为1.32,平均报酬率为39.47%,此项目前景较好。投资回收周期为4.47年,短期偿债力较佳,是理性投资项目,在财务预算上可行性较高。

  随着经济的发展和国家对农村的扶持力度加大,乡村市场的前景被普遍看好。乡村消费者对质量的要求也越来越高,价格对消费影响的比重越来越小。人们更注重商品的长期消费,对“大件”商品尤其如此。对使用寿命及后续使用的费用尤其关注,根据这一特点,在产品宣传中着重宣传高性价比、高效环保这一中心,扬长避短,突出性价比这一理念,从而避免初期定价高对市场成长的弊端。

  现代生活发展快,人们对于环保的关注度与日剧增,因此更加关注低碳生活,所以不妨将产品的核心理念定义为“高效环保”,这正好符合了现代人们的价值观。随着品牌的传播与推广,使品牌深入人心。

  1、合理布局运用广告、公关赞助、新闻炒作、市场生动化、关系营销、销售促进等多种手段,避免单一的广告往往只能提高品牌知名度,难以形成品牌美誉度,更难积淀成品牌文化。

  3、品牌传播要遵守聚焦原则,进行合理的规划与聚焦,在某一区域市场上集中力量。选择一个或几个乡村做广告宣传,则很快在当地市场产生市场效应,为进军全市场奠定基础。

  4、品牌传播要持久,持续。品牌的提升是一项系统工程,需要长久的投入与坚持。注重品牌核心价值“高效、环保”,企业一切营销活动都应该以滴水穿石的定力,持之以恒的维护它,更好的形成“石墨烯电池是最值得购买的产品”这一理念。

  综上所述,石墨烯以其优异的性能,良好的市场推广前景,必将在电动车电池及其他相关领域大展宏图。

  新型能源的开发与研究,为我国的综合国民经济发展产生了十分积极的影响,我国的各行各业通过对于新能源的应用,在一定程度上减少了对于生态平衡的破坏、相关资源的消耗以及环境的污染,这些因素都促进了新能源在世界综合领域中的健康发展。

  太阳能作为我国目前的主要应用能源,其在各个行业中的应用不仅为我国人民生活水平的不断提高产生了积极的影响,同时也为我国综合国力的提升起到了至关重要的作用。

  通过对石墨烯与太阳能电池光阳极材料中的充分利用,将有效的增强电子的传输速度,进一步降低电子之间的复合,从而实现光阳极对于染料的吸附能力,提高DSSC的综合光电转换效率[4]。部分相关学者选择通过低温互凝结的方式促进石墨烯与TiO2的符合,发现在二者的比例为1比20的状态下,复合的效果相对较好。在使用此状态下的复合物作为光阳极的DSSC的效率更高于其他复合物的效率。另外,还有专家学者将不同含量的石墨烯与TiO2粉末进行混合,并用其溶液以旋转涂覆方式覆盖到ITO的玻璃上,以制备出光阳极。结果发现当石墨烯的含量为百分之一的状态下,太阳能电池的综合效率达到最高值。

  石墨烯可应用于太阳能电池受体材料该受体材料主要指OPSC。作为混合性的异质结电池,OPSC内部的电子给体材料会产生相应的激子,从而产生电子与空穴在两个电极上的电流,而电子受体材料大部分是用于在电子分离和传输的过程中。在应用的过程中,将光入射到给体的材料之上,材料会受到光线激发而产生激子,电子空穴对逐渐迁移到给体材料,并与石墨烯的受体材料进行结合,而电子转移到石墨烯受体材料的LUMO能级,空穴则会保留在HOMO能级上,实现电子和空穴的基本分离。而电子在石墨烯受体材料当中的不断迁移,最终会传导到A1负极上。电子空穴对分离后,空穴则会通过导电聚合物传输到正电极的基本表面,这时由于空穴和电子分别被正负极所收集,产生了相应的电势差,从而实现了光生伏特效应。

  与此同时,由于表面接枝官能团的主要途径虽然在一定程度上实现了石墨烯的分散性提升,但过多的官能团会导致石墨烯的分子结构以及其电能性质受到一定程度的影响,增加电子的符合,从而使太阳能电池的光电转换效率无法得到有效的提升。

  石墨烯可应用于透光电极材料。在我国目前的透光导电极材料中,多数为金属氧化物,也就是我们日常所获的导电玻璃。而导电玻璃在用作透光电极材料中却存在热稳定性较差、制备成本的增加等特点,这在一定程度上都制约了太阳能电池的发展和应用,而通过石墨烯材料作为透光电极,将从根本上解决这些问题。

  在进行石墨烯透光导电材料的应用中,主要以DSSC进行说明。在DSSC内部,主要分为工作电极、电解质和对电极这三个部分。其主要的构成是将多孔半导体晶体薄膜置放在透光导电基底上,进而将染料分子洗后在多孔薄膜当中。

  由于电解质存在不同的形态区分,而DSSC的主要原理就是导体薄膜上的染料分子在吸收太阳光之后,从基态跃迁到激发态:D+hv→D*;激发态染料的电子也同时快速的融入到纳米半导体晶体的导带当中:D*→D++e-(CB);导带中的电子经过外部电路最终到达对电极:e-(CB)→e-;I3-离子扩散到对电极后,得到电子I-3+2e-(CB)→3I-;而仍然处在氧化形态的染料D+被还原态的电解质I-还原再生,重新回到基态本身。通过这些反应之间的不断循环,最终产生了光生伏特效应。

  与此同时,石墨烯在透光电极材料当中的应用过程还应当注重对于石墨烯的提取和制备,其方法也主要分为浸渍提拉法、旋转涂覆法、电泳沉积法以及化学气相沉积法。在进行制备的过程中,也要保证石墨烯薄膜的均匀程度,确保其导电性的稳定的同时,降低制备成本。

  所以,石墨烯材料作为我国近年来应用较为广泛的优质材料之一,为我国的许多行业发展都产生了积极的影响。在文章中,主要对石墨烯在太阳能电池中透光电极材料、受体材料以及光阳极材料中的应用进行相关的分析和研究,促进我国的新能源技术发展,认真贯彻落实我国的可持续发展战略,为全球的生态平衡发展做出贡献,同时也为发展未来新能源与新型材料相结合的新技术模式提供了理论保障。

  石墨烯在锂离子电池上的应用前景微乎其微的。相比于锂离子电池,石墨烯在超级电容器尤其是微型超级电容器方面的应用前景似乎稍微靠谱一点点,但是我们仍然要对一些学术界的炒作保持警惕。其实,看了很多这些所谓的“学术突破”, 你会发现很多教授在其paper里有意无意地在混淆了一些基本概念。

  目前商品化的活性炭超级电容器能量密度一般在7-8 Wh/kg,这是指的是包含所有部件的整个超级电容器的器件能量密度。而教授们提到的突破一般是指材料的能量密度,所以实际中的石墨烯超电远没有论文中提到的那么好。

  相对而言,微型超级电容器的成本要求并没有普通电容器那么严格,以石墨烯复合材料作为电化学活性材料,并选择合适的离子液体电解液,有可能实现制备兼具传统电容器和锂离子电池双重优势的储能器件,在微机电系统(MEMS)这样的小众领域可能(仅仅只是可能)会有一定的应用价值。

  鉴于石墨烯可能存在的突出性能,近年来关于石墨烯应用的消息总能引发关注。这其中最出风头的,还是石墨烯电池。但这却很难得到业内却人士的认可。刘冠伟认为,石墨烯可以做导电剂,促进锂电池快充放,理论上能提高倍率性能,但若分散工艺不到位,混料不均,一切都是空中楼阁:“石墨烯的成本过高、在锂电池中工艺特性不兼容等问题,使得‘石墨烯电池’这个技术接近于不存在,其噱头意义远大于实用价值。”

  中国石油大学教授李永峰同样持质疑态度。他认为,目前石墨烯在电池上的应用,主要是和硅结合在电池负极里面代替原来的石墨,这样可以提升电池的整体容量和充电速度,但性能提升效果有限,网上传言颠覆式提升并不太现实。此外,也有业内人士提及,石墨烯表面特性受化学状态影响巨大,批次稳定性、循环寿命等问题也比较难以满足锂电池生产的细致要求。

  此前网上曾有消息称比亚迪公司也正在研究石墨烯在锂电池上的应用,但是《每日经济新闻》记者从比亚迪相关负责人处了解到,比亚迪的电池目前仍是运用磷酸铁锰锂,并没有用到石墨烯。

  尽管目前多位业内人士认为所谓的石墨烯电池只是炒作,但在清华大学材料学院教授朱宏伟看来,说技术完全不存在也过于绝对,“随着技术和工艺成熟,通过石墨烯来提升电池性能未来是可以实现的”。原文地址:

  以特斯拉Model S为例,满电理论续航里程480公里上下,电池容量为85千瓦时,可用快速充电方式在一小时内充满电;而在快速充电条件下,充电桩的直流输出高达125千瓦时,换句线度。好了明确了这一点之后,咱们再继续往下掰扯小学水平的数学题。

  如果将特斯拉Model S的锂电池全部更换为等容量的石墨烯电池,以“充电7秒钟续航35公里”来计算,480公里的续航力只需充电96秒,这个时间不比普通汽车加油耗时慢——其实算上在加油站排队和交费等时间,车主们会发现,自己进加油站加一次油的耗时不止96秒。

  1小时(3600秒)将特斯拉Model S充满电,充电桩输出是125千瓦时;97秒将特斯拉Model S充满电,充电桩的输出就是3600÷96×125=4687.5千瓦时,即1小时耗电4687.5度——强调一下,这还只是理论数值!

  85千瓦时的电池容量在1小时快充模式下耗电125千瓦时,损耗就高达47%(即125/85-100%=47%),而在96秒内充电85千瓦时,其损耗绝对远不止这么点,这对整个充电系统的散热要求达到了一个极其变态的高度!

  好,就算中国有能力建造散热能力极其变态的充电系统,咱们接着往下算:保守而言,高速公路上的服务区加油站都可以同时容纳6辆车加油,以此为例,每个服务区都建立6个充电站,其负载将高达4687.5×6=28125千瓦时,这是一个什么概念呢?

  这么说吧,三峡电站总共有32台70万千瓦的水轮发电机,总装机容量高达22,400,000千瓦,就算全负荷运转,也只能承担796个服务区的充电站用电量——如果考虑到实际充电损耗和输变电损耗,这个数值将至少下降三分之一,约为530。

  当然不行,我相信任何一个高校电气工程专业的学生都会把说这种话的人拖出来打一顿!电气工程中有一个术语叫“潮流分布”,就算用这种比原来慢10倍的方式集中充电,如此小范围大负载且时段集中的用电行为,将会造成电网潮流分布的严重异常,会对国家电网形成致命打击,中国会瞬间变成解放前的油灯社会。

  总结:对于新能源电池的开发以及使用,在一定的程度上具有非常重要的意义,因为目前地球上的资源正在走向匮乏的时期,如果新的能源能够出现,那么对于世界上的危机解决是非常重要的,并且从其他的层面来讲,石墨烯电池的出现也标明了人们在这方面的开发走向了一个新的高度。


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