如今，電池技術(shù)有了很大的改進(jìn)。但是，如果有一件事人們永遠(yuǎn)無法獲得足夠的東西，那就是延長電池壽命的承諾。如果我們的筆記本電腦和智能手機(jī)只需一次充電就可以持續(xù)整整一周的密集使用，這不是很好嗎？或者，如果電動(dòng)汽車可以在幾分鐘內(nèi)充滿電呢？
有了石墨烯電池，一切皆有可能。
石墨烯是目前研究最多的電荷存儲(chǔ)材料。來自世界各地不同實(shí)驗(yàn)室的結(jié)果證實(shí)了它具有徹底改變儲(chǔ)能行業(yè)的潛力。
2004年發(fā)現(xiàn)的石墨烯可以在未來十年為儲(chǔ)能設(shè)備帶來許多新功能，例如完全可卷曲的電池、更小的電容器、高容量和快速充電設(shè)備以及透明電池。讓我們深入挖掘并更多地了解這項(xiàng)改變游戲規(guī)則的技術(shù)：它與現(xiàn)有的鋰離子電池有何不同，它的應(yīng)用是什么，以及它為何如此重要。
石墨烯電池究竟是什么？
石墨烯是一種排列在二維蜂窩晶格中的碳原子片，由于其獨(dú)特的特性，被公認(rèn)為“神奇材料”。它是一種極好的熱和電導(dǎo)體，非常靈活，幾乎透明，比相同厚度的鋼強(qiáng) 100 倍，而且非常輕。
石墨烯中的原子排列在二維蜂窩晶格中
由于該材料還具有環(huán)保性和可持續(xù)性，因此在廣泛的應(yīng)用中具有無限的可能性。這些有前途的應(yīng)用之一就是下一代電池。
石墨烯可以集成到不同種類的電池中：金屬-空氣、氧化還原流、鋰-金屬、鋰-硫，更重要的是，鋰離子電池。它可以被化學(xué)加工成適合正負(fù)極的不同版本。
用石墨烯制成的電池可以為手持設(shè)備和電動(dòng)汽車的所有設(shè)備供電。與現(xiàn)有的商用（鋰離子）電池相比，它們具有更多的功率和更長的生命周期。
石墨烯作為電池也可以用作超級電容器，它可以非常快速地充電和放電。事實(shí)上，它們可以幫助文明最終擺脫有害的化石燃料。
它們與傳統(tǒng)電池有何不同？
石墨烯電池技術(shù)類似于鋰離子電池：它有兩個(gè)固體電極和一個(gè)電解質(zhì)溶液，可以使離子流動(dòng)。然而，一些石墨烯電池具有固體電解質(zhì)。
主要區(qū)別在于一個(gè)或兩個(gè)電極的成分。在傳統(tǒng)電池中，陰極（正極）完全由固態(tài)材料制成。然而，在石墨烯電池中，陰極由包含石墨烯和固態(tài)金屬材料的混合組件制成。
電極中使用的石墨烯量會(huì)有所不同，具體取決于固態(tài)材料的效率和性能要求。此外，石墨烯作為陽極提供了高容量和優(yōu)異的倍率性能。
當(dāng)前的挑戰(zhàn)
近年來，研究人員已經(jīng)展示了各種性能優(yōu)于市售電池的石墨烯電池。但是，該技術(shù)尚未進(jìn)入市場。仍然需要克服兩個(gè)主要障礙：
1.缺乏大量生產(chǎn)高質(zhì)量石墨烯的有效工藝
2.目前生產(chǎn)成本高得令人望而卻步。
生產(chǎn)一公斤石墨烯要花費(fèi)數(shù)萬美元：數(shù)量根據(jù)材料質(zhì)量要求而有所不同。由于目前用于超級電容器的活性炭價(jià)格低廉（每公斤 15 美元），其他材料很難進(jìn)入商業(yè)市場。
石墨烯電池的12個(gè)新特性
很快，石墨烯就可以建立具有當(dāng)前技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的非凡功能的新一代儲(chǔ)能設(shè)備。
1. 帶交流線路濾波的超級電容器
基于垂直取向石墨烯片的雙電層電容器可以非?？焖俚爻潆?放電（不到一毫秒）。已經(jīng)對數(shù)十種材料進(jìn)行了交流線路濾波測試，包括氧化石墨烯、石墨烯-CNT（碳納米管）地毯和石墨烯量子點(diǎn)。
這種超快超級電容器可以取代目前電子產(chǎn)品中使用的大型電解電容器，使電子設(shè)備更輕、更小。
2. 靈活的儲(chǔ)能裝置
現(xiàn)有的電池和超級電容器是剛性的：因此，彎曲它們可能會(huì)導(dǎo)致電解液泄漏和電池?fù)p壞。然而，石墨烯具有二維一原子厚的結(jié)構(gòu)，可以在垂直于其表面的方向上變形而不會(huì)造成任何損壞。
除了這種固有的機(jī)械靈活性外，驚人的電氣特性和大面積使石墨烯成為一種重要的材料。省略了柔性電池的材料。
3. 可伸縮電池和超級電容器
通過利用微蜂窩石墨烯-碳納米管/活性材料復(fù)合電極和物理交聯(lián)凝膠電解質(zhì)的結(jié)構(gòu)可拉伸性，可以構(gòu)建可拉伸的儲(chǔ)能裝置。
可拉伸基材上的石墨烯-碳納米管/活性材料薄膜
通過纏結(jié)的碳納米管和石墨烯片相互連接的活性材料提供了機(jī)械穩(wěn)定的多孔網(wǎng)絡(luò)框架，而蜂窩結(jié)構(gòu)中向內(nèi)突出的框架允許在變形過程中進(jìn)行結(jié)構(gòu)拉伸。
4. 快充鋰離子電池
由于石墨烯可以在電極中實(shí)現(xiàn)更快的離子和電子轉(zhuǎn)移，因此配備石墨烯的鋰離子電池可以在更短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行充電和放電。
例如，在柔性石墨烯泡沫上裝載納米級 LiFePO4 正極和 Li4Ti5O12 負(fù)極材料的鋰離子電池僅需 18 秒即可充滿電。純石墨烯也可用于陽極以提高容量和超快充電/放電速率。
5. 可穿戴設(shè)備電池
同軸和芯鞘電極的最新進(jìn)展使得將電極材料和集電器結(jié)合在一根紗線中成為可能，這種紗線可以直接編織或針織成紡織品。
石墨烯可以有效組裝成多功能微纖維并編織成織物。石墨烯芯鞘微纖維已經(jīng)被用于展示柔性和可拉伸的超級電容器（具有高面電容），可以使用傳統(tǒng)的編織方法將其結(jié)合到紡織品中。
6. 用于輕量級設(shè)備的超薄集成電器
現(xiàn)有的電池使用厚度為 20-80 微米的金屬箔集電器（如銅、鋁或鎳）來促進(jìn)電極和外部電路之間的電子流動(dòng)。由于這些金屬不儲(chǔ)存電荷，它們會(huì)降低電池的整體能量密度。此外，它們會(huì)受到腐蝕，對電池的內(nèi)阻和電池壽命產(chǎn)生負(fù)面影響。
另一方面，石墨烯是更好地替代集成電器。它具有高導(dǎo)電性、低密度，在極端工作條件下也能穩(wěn)定工作。石墨烯可以很容易地轉(zhuǎn)化為表面帶有波紋和皺紋的薄膜，從而與活性材料有更好的接觸（這進(jìn)一步降低了電池電阻）。
7. 透明電池和超級電容器
由于其高導(dǎo)電性和良好的透明度（高達(dá) 97.7% 的透光率），石墨烯可以在使透明電池更高效方面發(fā)揮重要作用。它不僅可以用作開發(fā)透明儲(chǔ)能裝置的電極材料，還可以用于智能窗、太陽能電池和各種光電設(shè)備。
8. 更持久的電池
今天的鋰離子電池使用石墨陽極?？梢酝ㄟ^用石墨烯代替石墨來提高其能量密度。
折疊石墨烯紙、多孔石墨烯薄膜和溶劑化石墨烯框架形式的石墨烯電極的容量是傳統(tǒng)石墨電極的三倍，有望為電動(dòng)汽車提供更長的續(xù)航里程和更長的手持設(shè)備運(yùn)行時(shí)間。
通過用氮和硼摻雜石墨烯陽極可以進(jìn)一步提高容量和功率密度。
9. 氧化石墨烯作為固體電解質(zhì)和隔膜
氧化石墨烯是一種良好的電子絕緣體。它可以同時(shí)用作可行的固體電解質(zhì)和電極隔膜。一些研究表明，作為固體電解質(zhì)的氧化石墨烯薄膜具有高電容，但與介電電容器類似，具有不可檢測的離子擴(kuò)散。
這些觀察結(jié)果可能有助于研究人員開發(fā)出不受離子擴(kuò)散影響的超快、重量輕、能量密集的電容器，離子擴(kuò)散通常是造成電解質(zhì)泄漏危險(xiǎn)的原因。
10.具有電池能量密度的超級電容器
由[多孔和致密]石墨烯泡沫制成的超級電容器往往具有與鉛酸電池相當(dāng)?shù)某吣芰棵芏?。這些石墨烯泡沫是通過在石墨烯的基面上挖出小孔，然后用先進(jìn)的液壓設(shè)備對其進(jìn)行壓縮而制成的。
石墨烯超級電容器相對于傳統(tǒng)電容器的主要優(yōu)勢在于它們使用水性電解質(zhì)運(yùn)行，并且無需任何復(fù)雜的“干燥室”組裝即可制造。
11.半透氧化石墨烯膜
氧化石墨烯膜顯示出各種獨(dú)特的阻隔特性。在干燥狀態(tài)下，這些膜對除水蒸氣外的所有物質(zhì)都是不可滲透的。在水中，它們充當(dāng)分子篩，阻止大離子同時(shí)促進(jìn)較小離子的傳輸。
這些特性可能會(huì)導(dǎo)致用于超級電容器、電池和燃料電池的新一代離子選擇性膜的開發(fā)。
12. 粘合劑和無添加劑電極
粘合劑和添加劑一起占電極質(zhì)量的 40%。它被稱為“死質(zhì)量”，因?yàn)樗淮鎯?chǔ)任何電荷，從而降低了整體能量密度。
但由于石墨烯可以組裝成具有高導(dǎo)電性的自立式 2D 和 3D 結(jié)構(gòu)，因此可以將石墨烯直接結(jié)合到電極中，而無需添加任何粘合劑和導(dǎo)電劑。
