為什么會有人想要駕駛一輛需要超過一分鐘的充電時(shí)間的汽車?然而，想象一下電動(dòng)汽車的電池充電速度極快且行駛里程長，或者想象一部智能手機(jī)只需不到一分鐘的時(shí)間。盡管這似乎不可能，但石墨烯電池的進(jìn)步正在將這些可能性變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

　　鋰離子電池的衰落

　　鋰基電池因其高能量密度而被公認(rèn)為是有前途的儲能應(yīng)用替代品之一。這些電池為我們的電腦、智能手機(jī)甚至汽車供電。 鋰離子電池仍然存在的一個(gè)問題是安全性。鋰離子電池內(nèi)的液體高度易燃。電池外層的任何損壞都可能導(dǎo)致短路，從而導(dǎo)致火災(zāi)和爆炸。例如，2016 年，智能手機(jī)的突然爆發(fā)導(dǎo)致全球數(shù)名用戶遭受一級燒傷。 在過去的幾年里，電動(dòng)汽車中使用的鋰離子電池已經(jīng)獲得了廣泛的冷卻系統(tǒng)。然而，這種冷卻系統(tǒng)占用了大量可用于儲能的空間。 鋰離子電池的另一個(gè)問題是可回收性。鋰離子電池中的大部分部件都不具有生物相容性，使得可回收過程非常昂貴。 最后，電池的功率密度低。以智能手機(jī)為例：由于其高能量密度，電池可以使用一天的大部分時(shí)間;要為設(shè)備充電，必須將其連接到另一個(gè)電源一小時(shí)或更長時(shí)間。

　　石墨烯的承諾

　　石墨烯是單原子厚的碳原子片，相對表面積為 2.630 m 2 /g，在存儲電荷方面表現(xiàn)出色，在長期循環(huán)中幾乎不會降解。石墨烯中的鍵使石墨烯的抗拉強(qiáng)度是鋼的四倍以上，同時(shí)具有超透明、柔韌和出色的電和熱導(dǎo)體。這些特性使石墨烯不僅適合用于電池，還適合用于超級電容器。 然而，石墨烯超級電容器存儲的能量不如電池多，但它可以在幾分鐘內(nèi)充滿電。因此，為了克服石墨烯超級電容器的低能量密度，科學(xué)家們開始研究超級電容器和電池的耦合作為混合儲能系統(tǒng)。

　　石墨烯-鋁混合電池

　　澳大利亞昆士蘭大學(xué)的研究人員與石墨烯制造集團(tuán)合作，開發(fā)了一種基于石墨烯的混合電池原型。這種電池使用石墨烯和鋁作為電極材料，一般被稱為石墨烯鋁電池。電池能量密度為150-160 Wh/kg，1-5分鐘即可極速充電。 此外，石墨烯鋁離子電池在電池安全性、可回收性和更長的電池壽命(超過 2000 次循環(huán))方面具有顯著優(yōu)勢，性能幾乎沒有下降。 根據(jù)最新信息，石墨烯制造集團(tuán) (GMG) 宣布，它已生產(chǎn)出袋狀電池形式的石墨烯鋁離子電池，用于智能手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦等。 據(jù)GMG稱，這些電池的理論能量極限約為1050 Wh/Kg。因此，隨著進(jìn)一步的發(fā)展，我們很快可以期待石墨烯電池的能量超過商用電池。

　　石墨烯增強(qiáng)型鋰硫電池

　　石墨烯混合電池發(fā)展的分水嶺出現(xiàn)在 2021 年底，當(dāng)時(shí)總部位于加州的 Lyten 公司宣布，他們已經(jīng)開發(fā)出一種用于電動(dòng)汽車的石墨烯電池，其能量密度是傳統(tǒng)鋰離子電池的三倍。 這些電池是鋰硫 (Li-S) 電池，長期以來一直被吹捧為下一代可充電電池。然而，鋰硫電池在實(shí)際應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)是在放電循環(huán)中形成可溶性多硫化物。這些中間物質(zhì)在陽極和陰極之間擴(kuò)散并導(dǎo)致內(nèi)部短路。這種現(xiàn)象通常被稱為穿梭效應(yīng)，它是導(dǎo)致 Li-S 電池效率低下和容量衰減快的原因。 Lyten 在硫陰極中加入了 3D 石墨烯膜來克服這個(gè)問題，它作為一種有效的隔板并降低了循環(huán)容量衰減率。 該產(chǎn)品名為 LytCell EV，據(jù)報(bào)道可提供 900 Wh/kg 的能量密度。測試顯然表明，LytCell 原型可以維持超過 1.400 次充放電循環(huán)。

　　石墨烯增強(qiáng)聚合物電池

　　PolyJoule 是麻省理工學(xué)院 (MIT) 的衍生公司，最近宣布了一種用于大功率數(shù)據(jù)中心備份和電網(wǎng)應(yīng)用的新電池技術(shù)。該裝置是一種具有碳-石墨烯混合物和導(dǎo)電聚合物的雙電極電化學(xué)電池。電池可在 10 秒內(nèi)釋放高達(dá) 1 MW 的電量，并在 5 分鐘內(nèi)充電。它的電壓范圍為 158 V 至 972 V，可在 -40 °C 至 50 °C 的溫度范圍內(nèi)連續(xù)工作，且容量損失最小。

　　石墨烯不燃鋰電池

　　當(dāng)鋰離子電池短路時(shí)，會導(dǎo)致電池著火，這引發(fā)了人們對其在消費(fèi)產(chǎn)品中的使用的擔(dān)憂。這是由于鋰離子電池中含有易燃電解質(zhì)?？偛课挥诿绹?Nanotech Energy 開發(fā)了一種不易燃的石墨烯鋰離子電池組，既安全又環(huán)保。他們在鋰電池中使用石墨烯作為電極材料，并開發(fā)了一種名為 OrganoLyte TM的廉價(jià)非易燃電解質(zhì)。 據(jù)說該電池的能量密度為 162.5 Wh/kg，在 80% 的容量下可以承受超過 1400 次循環(huán)(近 10 年)。 電池完全防火，適用于所有天氣條件。相比之下，傳統(tǒng)的鋰電池只能承受 300-500 次循環(huán)(大約兩到三年)。根據(jù)最新消息，該公司已開始接受預(yù)訂，電池可能會定制用于電動(dòng)汽車、計(jì)算機(jī)和軍事應(yīng)用。

　　石墨烯電池的未來

　　特斯拉最近宣布，他們的 Model 3 電池的能量密度接近 260 Wh/kg。盡管如此，它仍需要復(fù)雜的冷卻系統(tǒng)來防止過熱，因此占用了大量空間。另一方面，由于石墨烯電池不會過熱或爆炸，因此不需要冷卻系統(tǒng)，該空間可用于電動(dòng)汽車的儲能電池。 石墨烯電池技術(shù)突破，中國汽車公司廣汽汽車有限公司宣布推出AION V汽車，其石墨烯電池續(xù)航里程可達(dá)1000公里，可在8分鐘內(nèi)充電至80%容量。毫無疑問，石墨烯電池的持續(xù)商業(yè)化將很快因其更廣泛的應(yīng)用而超越傳統(tǒng)電池。