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石墨烯的潛力與未來發展方向詳解

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2019年06月11日  

歐洲科學技術協會(SciTechEuropa)探索石墨烯,以及它如何在我們的日常生活中發揮更持久的作用,為我們與數字技術和移動設備的關系提供動力。

移動設備依賴于目前使用鋰離子技術制造的可充電電池。隨著這些器件的不斷進步,它們的應用對低容量鋰離子電池的壓力越來越大。然而,石墨烯,一種透明而靈活的二維材料,被認為是最薄的化合物。石墨烯具有許多高價值的特性,包括亮度、柔韌性和高導電性,而且價格低廉。因此,石墨烯增強的鋰離子電池被認為是一種可以推動技術進步的材料,不僅可以用于移動設備,還可以用于一系列技術應用,無論是體育設備、汽車還是音頻設備。《歐洲科學技術》探索了這種創新材料如何在我們的日常生活中發揮更持久的作用,通過推動我們與數字技術和移動的關系,以及它所看到的成功和障礙。

石墨烯的性質和潛力

石墨烯的基本形態是單層碳原子,排列在晶格中,具有用于柔性顯示器、可穿戴設備以及先進電子設備的潛力。

它具有許多優越的性能,是一種理想的電池材料。當比較鋼和石墨烯時,后者的強度是后者的數百倍。因此,這種材料可以用來增加能量存儲,無論是超級電容器的形式,還是更小的電池形式,如袋和硬幣電池。石墨烯在這類應用中的好處在于提高能源密度、容量和能源產品的壽命。

便攜式各種電池的潛力

電池和超級電容器有各種各樣的優點,但也有不足之處;盡管有許多類型的電池能夠儲存大量的能量,但它們往往由于體積大、重量大以及釋放能量的速度慢而處于劣勢。然而,電容器使用戶能夠以更有效的速度充電和放電,以及負擔得起。然而,采用石墨烯來提高電池和超級電容器的性能,可能會模糊這兩種能量存儲之間的界限。

石墨烯供電的超級電容器儲存大量能量,便于快速充放電。由于其高效、快速的充電特性,石墨烯可以看到需要更高功率的設備變得更容易獲得和攜帶。

基于石墨烯的電池替代品已經改善了能量存儲,并通過其使用和充電的生命周期提高了性能。通過在電池電極上添加二維材料,提高了電池的能量容量和可靠性。隨后,我們的設備可以更長久地保持更高的效率,提供更高的性價比。

將石墨烯應用于先進技術

2016年,總部位于中國的網絡、電信和服務公司華為透露,他們試圖開發一種石墨烯增強的創新鋰離子電池。該電池在市場上的宣傳是,即使在超過50°C的極限溫度下,也能保持功能,并延長運行時間。利用多項創新技術,華為電池通過以下方式確保散熱:

1.電解液內的抗分解添加劑;

2.化學穩定晶體陰極;

3.石墨烯。

因此,制造商補充說,石墨烯的使用降低了電池的工作溫度5℃。

實現石墨烯技術的商業化

2017年,有報道稱,三星電子技術研究院——三星高級技術研究院(SAIT)已經開發出一種核心電池技術,該技術使用石墨烯來提供更長的運行時間和更快的充電速度。據說石墨烯“球”能使電池容量提高45%,同時使電池充電速度比目前標準快五倍。這項研究的結果發表在11月的《自然》雜志上。

該公司生產的電池體積更小、更薄,但不以產能為代價。這種材料正被這家韓國電子公司用于移動設備,但也顯示出了開發電動汽車的潛力。

在一份描述這一發現的文件中,三星寫道:快速充電能力被認為是公眾成功采用全電動汽車的關鍵,這可能消除了汽車市場對采用這種汽車的猶豫,并解決了人們對此類汽車缺乏基礎設施的擔憂。據英國《金融時報》報道,三星表示,基于石墨烯的電池技術將在12分鐘內充滿電,而目前的鋰離子電池在一小時左右就能充滿電。由于材料的穩定性,電池可以在60°C內保持穩定,可以用于電動汽車。三星補充說,SAIT開發了這項技術,制造了一種使用二氧化硅的方法,合成了3D石墨烯球,并將其與先進的鋰離子電池結合起來。

快速充電的未來

據美國同行評審期刊《科學進展》12月版報道,中國浙江大學的研究人員成功地在1.1秒內給電池充電,用它給一個燈泡供電約一個小時。該大學的納米聚合物實驗室報告說,在25萬次充電后,石墨烯基電池保持了91%的容量,并在極端溫度下保持穩定。盡管如此,測試電池的電流容量還沒有達到目前手機電池所能提供的水平——充電1分鐘后30毫安,而不是3000毫安——因此,這種技術需要廣泛的研究和開發,才能投入商業使用。

為什么石墨烯還沒有在商業上得到廣泛應用?

2010年,曼徹斯特大學(UniversityofManchester)教授安德烈·海姆爵士(AndreGeim)和康斯坦丁·諾沃塞洛夫(KonstantinNovoselov)因研究石墨烯獲得諾貝爾物理學獎。結果,這種材料獲得了巨大的投資,申請了專利,圍繞它的野心也越來越大,希望能改造電子、碳纖維復合材料和生物技術等應用。盡管如此,由于供應鏈的困難和生產成本,石墨烯應用的關注有所減少。

在2018年全球移動大會的講話中,弗蘭克?Koppens光子科學研究所(IFCO),在巴塞羅那,西班牙,說:“令人驚奇的人認為是歷史上很長一段時間,因為如果你回頭看花了很多時間比石墨烯具有新技術進入市場。如果你看看你的智能手機,里面的技術是30-40年前發明的,里面大約有25個諾貝爾物理學獎。他補充說,目前手機的發明和技術都是上世紀60年代的發現,因此,直到現在,這些技術才在今天的消費品中找到了自己的位置。

盡管石墨烯的加工成本仍然很高,但研究人員一直在努力推進這項技術,尤其是在其儲能應用方面。目前,石墨烯相關應用的專利已超過5萬項。彭博新能源財經分析師朱莉婭·阿特伍德說:“人們擔心的是加滿汽油和給汽車電池充電的比較。突然之間,這就不是問題了,因為你只需要停十分鐘,你就可以把車開200到300英里。”

可購買哪些石墨烯增強產品?

一系列的產品都在使用這種材料來提高它們的功效。例如,小米MiProHD耳機在其膜片中使用這種材料,以提供更快的聲音傳輸速度,并在電路中保留100%的原始信號,從而增強了高分辨率音頻。

荷蘭體育和服裝公司的負責人將碳、石墨烯和koroyd三種材料結合在了他們的YouTek石墨烯網球拍和Korefreeride滑雪板上。與此同時,蘭博基尼和美國麻省理工學院(MassachusettsInstituteofTechnology)正在一個合作項目中探索其在電動汽車上的應用,他們希望開發一種使用石墨烯增強超級電容器的電動汽車——Terzomillenniumo。

目前正在研究的不僅是移動設備的能源能力,還有石墨烯如何幫助制造未來彎曲和靈活的手機,盡管這項技術的交付時間尚不確定。目前一些公司正在生產柔性屏幕,他們聲稱這種屏幕將在今年或明年上市,而且中國也有在觸摸屏中使用石墨烯的智能手表。

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