石墨烯電池由美國俄亥俄州的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(yùn)動的特性開發(fā)而來。
石墨烯電池具有環(huán)保、電能量大、續(xù)航能力強(qiáng)、使用和攜帶更方便的優(yōu)點(diǎn)。石墨烯電池的上游是生產(chǎn)石墨烯電池的原材料，主要有石墨烯、正極材料、負(fù)極材料、電解液和隔膜等，下游應(yīng)用行業(yè)主要用于新能源汽車領(lǐng)域，目前也在開發(fā)其他應(yīng)用領(lǐng)域。
原理
石墨烯電池利用環(huán)境熱量自行充電的試驗(yàn)。
石墨烯電池在飽和氯化銅溶液中，時間(小時、天數(shù))和產(chǎn)生電壓的關(guān)系。
實(shí)驗(yàn)制成電路其中包含LED，用電線連接到帶狀石墨烯。他們只是把石墨烯放在氯化銅(copperchloride)溶液中，進(jìn)行觀察。LED燈亮了。實(shí)際上，他們需要6個石墨烯電路，形成串聯(lián)，這樣就可產(chǎn)生所需的2V，使LED燈發(fā)亮，就可以得到這個圖片。
徐子涵和同事說，這里發(fā)生情況就是銅離子具有雙重正電荷，穿過溶液的速度約每秒300米，因?yàn)槿芤涸谑覝叵碌臒崮芰俊．?dāng)離子猛烈撞入石墨烯帶時，碰撞會產(chǎn)生足夠的能量，使不在原位的電子離開石墨烯。電子有兩種選擇：可以離開石墨烯帶，和銅離子結(jié)合，也可以穿過石墨烯，進(jìn)入電路。
原來，流動的電子在石墨烯中更快，超過它穿過溶液的速度，所以電子自然會選擇路徑，穿過電路。正是這一點(diǎn)點(diǎn)亮了LED燈“釋放的電子更傾向于穿過石墨烯表面，而不是進(jìn)入電解液。設(shè)備就是這樣產(chǎn)生電壓的，”徐子涵說。
因此，這個裝置產(chǎn)生的能量來自周圍環(huán)境的熱量。他們可以提高電流，只需加熱溶液，也可用超聲波加快銅離子。只依靠周圍熱量，就可以使他們的石墨烯電池持續(xù)運(yùn)行20天。但是，還有一個重要的問號。另一個假設(shè)是某種化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電流，就像普通的電池。
然而，徐子涵和同事說，他們排除了這一點(diǎn)，因?yàn)檫M(jìn)行了幾組控制實(shí)驗(yàn)。然而，這些是在一些補(bǔ)充材料中介紹的，他們似乎并沒有放在arXiv網(wǎng)站上。他們需要趕在別人做出嚴(yán)肅聲明之前公開。從表面價(jià)值來看，這看起來是一項(xiàng)非常重要的成果。其他人也在石墨烯中產(chǎn)生過電流，但只是讓水流過它，所以這并不真的使人吃驚，移動的離子也可以產(chǎn)生這樣的效果。這預(yù)示著清潔的綠色電池，只依靠環(huán)境熱量驅(qū)動。徐子涵和同事說：“這代表著一個巨大的突破，研究的是自驅(qū)動技術(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(shí)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(fèi)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(jī)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(dá)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(jī)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(qiáng)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(jìn)行檢測。而石墨烯在超輕型飛機(jī)材料等潛在應(yīng)用上也將發(fā)揮更重要的作用。
發(fā)展前景
新型石墨烯電池實(shí)驗(yàn)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(diǎn)。電池技術(shù)是電動汽車大力推廣和發(fā)展的最大門檻，而電池產(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(dú)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(jī)和超高速寬帶到藥物輸送和計(jì)算機(jī)芯片?！?/p>
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(jī)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。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。而只需要常見的DVD刻錄機(jī)，甚至是在家里，利用廉價(jià)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(jìn)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(xiàng)目”，設(shè)立專項(xiàng)研發(fā)計(jì)劃，未來10年內(nèi)撥出10億歐元經(jīng)費(fèi)。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(shí)驗(yàn)室進(jìn)入生產(chǎn)線和市場。
中國在石墨烯研究上也具有獨(dú)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(jià)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。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(qiáng)透光性和柔性。
由于石墨烯擁有超乎想像的導(dǎo)電能力，石墨烯電池概念成為突破電池技術(shù)瓶頸的救命稻草。尤其國內(nèi)電動汽車行業(yè)但凡有技術(shù)突破都與石墨烯電池掛鉤。
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(yuǎn)，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)⒏母铮撼潆?0分鐘跑1000公里”報(bào)道：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(fèi)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(jìn)步。
和鋰電池區(qū)別
石墨烯電池和鋰電池在多個方面存在顯著的區(qū)別，以下是對這兩種電池主要差異的詳細(xì)歸納：
一、材料構(gòu)成
石墨烯電池：使用石墨烯作為電極材料或電解質(zhì)。石墨烯是一種以sp2雜化連接的碳原子緊密堆積成單層二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的新材料，具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和力學(xué)性能。
鋰電池：使用鋰化合物（如鋰鈷氧化物、鋰鐵磷酸鹽等）作為正極材料。鋰電池的負(fù)極材料通常為石墨或其他碳材料，電解質(zhì)為液態(tài)或固態(tài)的鋰鹽溶液。
二、性能特點(diǎn)
1、能量密度：
石墨烯電池的能量密度比鋰電池更高，這意味著可以儲存更多的電能。有數(shù)據(jù)表明，石墨烯電池的比能量可以超過600wh/kg，而最先進(jìn)的鋰電池比能量約為180wh/kg。
更高的能量密度使得石墨烯電池在電動汽車等領(lǐng)域具有更大的潛力。
2、充電速度：
由于石墨烯電池具有良好的電導(dǎo)率，因此可以實(shí)現(xiàn)更快的充電速度。相比之下，鋰電池的充電速度較慢。
石墨烯電池的快速充電特性對于需要短時間內(nèi)補(bǔ)充電能的設(shè)備尤為重要。
3、循環(huán)壽命：
石墨烯電池的循環(huán)壽命通常比傳統(tǒng)鋰離子電池更長，能夠經(jīng)受更多的充放電周期而不損壞。
石墨烯電池的長壽特性有助于延長電子設(shè)備或電動汽車的使用壽命。
4、重量與體積：
石墨烯電池由于采用了輕質(zhì)且堅(jiān)固的石墨烯材料，因此重量較輕，體積也可能相對較小。
鋰電池雖然也是輕量化的能量存儲解決方案，但在重量和體積方面可能不如石墨烯電池優(yōu)越。
5、安全性：
石墨烯電池在高溫下表現(xiàn)更加穩(wěn)定，有助于提高電池的安全性和可靠性。相比之下，鋰電池在過熱或損壞時容易發(fā)生爆炸或起火。
三、價(jià)格與市場
石墨烯電池：由于石墨烯材料的昂貴和生產(chǎn)過程的復(fù)雜性，石墨烯電池的成本較高。目前市場上的石墨烯電池尚處于研發(fā)階段，價(jià)格相對鋰電池較高。然而，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，石墨烯電池的制造成本有望逐漸降低。
鋰電池：由于成熟的生產(chǎn)工藝和廣泛的應(yīng)用需求，鋰電池的成本通常較為適中。鋰電池已經(jīng)歷了廣泛的應(yīng)用和持續(xù)的改進(jìn)，是目前市場上最受歡迎的電池類型之一。
四、適用領(lǐng)域
石墨烯電池：由于其在能量密度、充電速度、循環(huán)壽命和安全性等方面的優(yōu)越性能，石墨烯電池在電動汽車、移動設(shè)備、航空航天等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，目前石墨烯電池的商業(yè)化還面臨一些挑戰(zhàn)，如制造成本高、生產(chǎn)工藝不成熟等。
鋰電池：由于其性能穩(wěn)定、成本適中且已廣泛應(yīng)用于移動設(shè)備、電動汽車、儲能系統(tǒng)等各種領(lǐng)域。鋰電池在可預(yù)見的未來仍將是主流電池類型之一。
綜上所述，石墨烯電池和鋰電池在材料構(gòu)成、性能特點(diǎn)、價(jià)格與市場以及適用領(lǐng)域等方面存在顯著差異。在選擇電池時，需要根據(jù)具體的應(yīng)用場景和需求進(jìn)行評估和選擇。