“超級電池”看好石墨烯 真正上路尚需時(shí)日

　　電池是電動(dòng)汽車(chē)的心臟。盡管目前國家大力推廣電動(dòng)汽車(chē)，但是續航里程短、充電時(shí)間長(cháng)等短板，依舊阻礙著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)大量進(jìn)入尋常百姓家。如今，越來(lái)越多的科研院所和汽車(chē)企業(yè)正在研發(fā)新一代超級電池，以解決動(dòng)力電池存在的諸多問(wèn)題。

　　前段時(shí)間，中科院上海硅酸鹽所研究團隊研發(fā)的石墨烯電池更是引發(fā)外界廣泛關(guān)注。該所研究員黃富強帶領(lǐng)的研究團隊與北京大學(xué)、美國賓夕法尼亞大學(xué)合作，合成出一種高性能超級電容器電極材料——氮摻雜有序介孔石墨烯。該材料具有極佳的電化學(xué)儲能特性，除了超快速充放電，它還可以循環(huán)充電5萬(wàn)次以上，有望為電池行業(yè)帶來(lái)革命性變化。該成果發(fā)表在美國《科學(xué)》雜志上。

　　“超級電池”看好石墨烯

　　“從電動(dòng)汽車(chē)誕生那一天起，科學(xué)家們就一直在探索用各種新材料和新技術(shù)，來(lái)提高電池的續航里程?！焙颖贝髮W(xué)新能源汽車(chē)研究中心王濤博士介紹，電動(dòng)車(chē)有100多年的歷史，比燃油車(chē)還早半個(gè)世紀。

　　據了解，電動(dòng)車(chē)的歷史可追溯到1834年，那一年蘇格蘭人羅伯特·安德森制造了第一輛電動(dòng)汽車(chē)，它由一組不可充電的干電池驅動(dòng)，只能行駛一小段距離。1881年，法國工程師古斯塔夫·特魯夫發(fā)明了以可充電電池——鉛酸電池為動(dòng)力的電動(dòng)車(chē)。19世紀末到20世紀初，電動(dòng)車(chē)進(jìn)入到發(fā)展的黃金時(shí)代，法國、英國和美國相繼出現電動(dòng)車(chē)制造公司，電動(dòng)汽車(chē)一度占領(lǐng)了40%的汽車(chē)市場(chǎng)。然而，20世紀20年代后，內燃機技術(shù)不斷更新，再加上燃油汽車(chē)行駛里程是電動(dòng)車(chē)的3倍，且使用成本低……這種背景下，電動(dòng)車(chē)很快從歐美汽車(chē)市場(chǎng)中消失了。

　　“鉛酸電池體積大、質(zhì)量重、充電時(shí)間長(cháng)、續航里程較短，再加上電力傳動(dòng)系統的制造成本過(guò)高等因素困擾，被市場(chǎng)淘汰也是必然?！蓖鯘硎?，20世紀80年代至90年代，日本和美國的一些汽車(chē)廠(chǎng)家也生產(chǎn)過(guò)一系列電動(dòng)車(chē)，但由于大都采用鉛酸電池，很難取得質(zhì)的突破，最終都是曇花一現。進(jìn)入新世紀以來(lái)，環(huán)境污染、能源日漸枯竭等問(wèn)題不斷加劇，電動(dòng)汽車(chē)再次成為各大車(chē)企重點(diǎn)關(guān)注的對象。而且隨著(zhù)鋰離子電池的引入，電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)入又一個(gè)飛速發(fā)展的黃金時(shí)期?！芭c鉛酸電池相比，鋰離子電池在續航里程、充電時(shí)間、電池壽命等方面，都有了很大的提高，但仍無(wú)法達到與燃油汽車(chē)相同的性能?！蓖鯘榻B，目前市面上電動(dòng)汽車(chē)，除了售價(jià)昂貴的豪華品牌以外，純電動(dòng)車(chē)所標稱(chēng)的續航里程都在300公里以?xún)取?/p>

　　目前，越來(lái)越多的科研院所和汽車(chē)企業(yè)正在研發(fā)下一代超級電池，力圖使電動(dòng)汽車(chē)取得突破性進(jìn)展。

　　“電池含有正負極、隔板和電解質(zhì)。它們由不同的材料組成，而且不同的材料組合可以讓電池貯存不同數量的能量?！蓖鯘硎?，電池的升級換代，往往體現在電池材料的更新上。目前，許多研究機構正在試圖用新材料研發(fā)超級電池，而石墨烯就是其中一種。

　　據介紹，石墨烯是從石墨材料中剝離出來(lái)、由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體。它是一個(gè)網(wǎng)狀結構，且具有極限的薄度，電荷在其中可以快速遷移。也正因如此，許多研究者將石墨烯看作是一種比較理想的蓄電池電極材料。

　　電池性能不斷突破

　　“目前，石墨烯已經(jīng)在超級電容器、鋰空氣電池等儲能材料的研發(fā)中得到應用?！蓖鯘榻B，中科院上海硅酸鹽所研究團隊就是利用了石墨烯材料高比表面積、優(yōu)良導電率和穩定化學(xué)結構特點(diǎn)，合成了超級電容器的新型電極材料。

　　超級電容器，是介于傳統電容器和電池之間的一種電化學(xué)儲能裝置。與電池類(lèi)似，超級電容器主要由電極、電解液、隔膜和集流體組成，其中的電極是決定超級電容器性能的核心部件。目前常用的活性炭電極是雙電層的電荷存儲機理，其比表面積大、穩定性好、功率密度高但電容量小(<250法拉/克)，而且現有儲能器件中所使用的電解液通常有毒有害、易燃易爆、安全穩定性差。

　　為破解這一難題，中科院上海硅酸鹽所研究團隊展開(kāi)持續攻關(guān)，通過(guò)反復試驗，合成了氮摻雜有序介孔石墨烯，該材料是石墨烯廣義家族中的一種新結構，具有優(yōu)異的電化學(xué)儲能特性，電容量可達到855法拉/克。而且，該團隊還研究了電極材料中結構與性能之間的關(guān)系，發(fā)現氮原子在石墨烯中的結構不僅影響電極材料的氧化還原電位，還決定了電極材料的電容量。這一重要發(fā)現為科研人員設計高電化學(xué)活性的電極材料提供了新的思路。

　　事實(shí)上，石墨烯材料已被汽車(chē)電池研究專(zhuān)家廣泛采用。日前，劍橋大學(xué)化學(xué)教授克萊爾格雷和她的團隊利用石墨烯材料攻克了鋰空氣電池開(kāi)發(fā)中的技術(shù)難關(guān)，相關(guān)成果也發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。