石墨烯超级电池！电动汽车的“救世主”

电池是电动汽车的心脏。

虽然目前国家正在大力推广电动汽车，但续航里程短、充电时间长等缺点仍然阻碍电动汽车大量进入寻常百姓家。

如今，越来越多的科研院所和汽车企业正在研发新一代超级电池，以解决动力电池的诸多问题。

石墨烯，这个被寄予厚望的“新材料之王”，始终是人们热议的话题。

前段时间，中科院上海硅酸盐研究所研究团队研发的石墨烯电池引起了外界的广泛关注。

该研究院研究员·黄富强领导的研究团队与北京大学、宾夕法尼亚大学合作，合成了高性能超级电容器电极材料——氮掺杂有序介孔石墨烯。

该材料具有优异的电化学储能性能。

除了超快速充放电外，还可重复充电5万次以上，有望给电池行业带来革命性的变化。

结果发表在美国杂志《科学》上。

“超级电池”看好石墨烯。

“从电动汽车诞生那天起，科学家们就一直在探索利用各种新材料和新技术来提高电池的续航里程。

”河北大学新能源汽车研究中心王涛·博士表示，电动汽车已有多年历史，比燃油汽车早半个世纪。

据了解，电动汽车的历史可以追溯到苏格兰人和罗伯特·安德森制造第一辆电动汽车的那一年。

它由一组不可充电的干电池驱动，只能行驶很短的距离。

2000年，法国工程师古斯塔夫·特鲁夫发明了一种由可充电电池——铅酸电池供电的电动汽车。

19世纪末至20世纪初，电动汽车进入了发展的黄金时期。

法国、英国、美国等地相继出现电动汽车制造企业。

电动汽车一度占据汽车市场40%的份额。

然而，20世纪20年代以后，内燃机技术不断更新，再加上燃油车的续驶里程是电动车的三倍且使用成本低廉……在此背景下，电动车迅速发展起来。

从欧美汽车市场消失。

“铅酸电池体积大、质量重、充电时间长、续航里程短，加上电驱动系统制造成本高，被市场淘汰是必然的。

”王涛表示，从20世纪80年代到90年代，日本和美国的一些汽车制造商也生产了一系列电动汽车，但由于大多采用铅酸电池，因此很难实现质的突破，而且最终它们都是短暂的。

进入新世纪以来，环境污染、能源枯竭等问题不断加剧，电动汽车再次成为各大车企关注的焦点。

而随着锂离子电池的推出，电动汽车进入了又一个快速发展的黄金时期。

“与铅酸电池相比，锂离子电池在续航里程、充电时间、续航时间等方面都有很大提升，但仍无法达到与燃油汽车相同的性能。

“目前市场上除了价格昂贵的豪华品牌电动汽车外，纯电动汽车的标称续航里程都在公里以内。

目前，越来越多的科研院所和汽车企业正在研发下一代超级电池，力争在电动汽车方面取得突破 “电池包含正负极、隔膜和电解液，它们由不同的材料制成，不同的材料组合可以让电池储存不同数量的能量。

”王涛表示，电池的升级换代是关键。

往往体现在电池材料的更新上。

目前，许多研究机构正在尝试用新材料开发超级电池，石墨烯就是其中之一。

据介绍，石墨烯是从石墨材料中剥离出来的、由碳原子组成的二维晶体，??只有一层原子厚。

它是一种网状结构，并且具有极薄的特点。

正因为如此，许多研究人员都提到了石墨烯。

它被认为是理想的电池电极材料。

电池性能不断突破。

“目前，石墨烯已应用于超级电容器、锂空气电池等储能材料的研发。

”王涛介绍，中科院上海硅酸盐研究所研究团队利用石墨烯材料高比表面积、优异导电性和稳定化学结构的特点，合成了一种新型超级电容器电极材料。

超级电容器介于传统电容器之间。

超级电容器与电池类似，主要由电极、电解液、隔膜和集流体组成，电极是目前决定超级电容器性能的核心部件。

常用的活性炭电极为双电极，其层状电荷存储机制具有比表面积大、稳定性好、功率密度高但电容量小（法拉/克）等特点，现有储能装置采用的电解质为通常有毒、有害、易燃、易爆、安全性差。

为了解决这一问题，中科院上海硅酸盐研究所研究团队通过反复实验，不断研究合成了氮掺杂有序介孔石墨烯。

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这种材料是石墨烯大家族中的一种新结构。

，具有优异的电化学储能性能，电容量可达Farad/g。

此外，团队还研究了电极材料结构与性能的关系，发现石墨烯中氮原子的结构不仅影响电极材料的性能。

氧化还原电位还决定了电极材料的电容。

这一重要发现为研究人员设计高电化学活性电极材料提供了新思路。

事实上，石墨烯材料已被汽车电池研究专家广泛应用。

剑桥大学化学教授克莱尔·格雷和她的团队利用石墨烯材料攻克了锂空气电池开发中的技术难题。

相关结果也发表在《科学》杂志上。

据介绍，锂空气电池是由锂和氧化合而成。

氧化锂放电，然后通过施加电流反转该过程来充电。

如何可靠地使上述反应重复发生是该技术面临的挑战。

克莱尔·格雷利用石墨烯构建了高度多孔、海绵状的碳电极，并添加了一些添加剂以保持其化学稳定性，解决了以往锂空气电池容易爆炸的问题。

而如果这项技术能够从实验室演示产品转化为商业产品，汽车只需充电一次就可以从伦敦行驶到爱丁堡（约100公里），而且所用电池的成本和重量仅为英国的1/5。

目前的锂离子电池。

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此外，韩国三星电子也在进行硅基负极材料的研究，旨在在硅表面添加石墨烯涂层。

他们通过在碳化硅电极表面涂上石墨烯，有效地扩大了阳极的表面积。

同时，与正极使用的钴酸锂相结合，使电池充电电源单位体积的能量密度大大提高，其寿命也提高到锂离子电池的1.5至1.8倍。

“这些研究结果表明，在电极中添加石墨烯材料可以显着提高电池的充电速度、循环稳定性、使用寿命和能量密度。

”王涛表示，无论石墨烯能否成为下一代电池的正负极，业界一致认为，合理正确地使用石墨烯这一新材料，可以推动电池向更高性能发展。

真正上路还需要时间。

石墨烯材料在电池中的应用前景是毋庸置疑的。

然而，石墨烯电池真正从实验室走向产业化还有很长的路要走。

“在讨论石墨烯如何用于电池之前，获得合格的石墨烯产品是第一步。

”王涛表示，石墨烯独特的结构是一把双刃剑，不仅带来优异的性能，还增加了其产业化程度。

困难。

据了解，二维材料此前从未获得过，石墨烯也只是科学家的一种假设。

2006年，英国物理学家安德烈·海姆（Andre Geim）和康斯坦丁·诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）利用两块石墨相互摩擦时，一块石墨会整体剥离的特性，发明了制造二维石墨烯的“透明胶”。

“方法”：他们通过光束、电子束、原子力显微镜等设备进行操作。

他们使用足够强度的透明胶粘住石墨层的两侧并将其撕开，然后重复，直到获得只有一层原子厚的石墨。

烯。

这是一个复杂的项目，因为一片1毫米厚的石墨片可以剥离一万层石墨烯，两人因此获得了2018年诺贝尔物理学奖。

然而这种在实验室获得的方法难度太大、成本高昂，限制了石墨烯材料的产业化步伐。

而且，即使获得工业化的石墨烯材料，也只是制造石墨烯电池的第一步。

真正将它们应用到电动汽车上还需要更长的时间。

据介绍，锂离子电池在产业化之前，需要花费数年时间对电池的安全性、稳定性、寿命以及成组技术进行实验验证。

而且，电池的发展趋势是朝着更高能量密度方向发展，但能量密度越高，潜在的危险因素也会随之增加。

因此，测试和改进石墨烯电池的性能可能需要更长的时间才能进行。

此外，验证生产可行性还需要两到三年的时间。

由于电池从实验室走向生产，制造过程对生产设备、工艺路线、制造环境等要求非常高，制造工艺需要不断调整。

“虽然还没有明确的时间表，但我们有理由相信石墨烯材料将为汽车电池领域带来革命性的变化。

”王涛将这种变化比喻为从录像带到光盘的发展，这将极大地改变整个产业链。