新聞提示
性能穩(wěn)定、安全高效的“超級(jí)電池”一直是人們追尋的夢(mèng)想。
日前，華為公司研究團(tuán)隊(duì)在鋰離子電池領(lǐng)域取得重大進(jìn)展，其首創(chuàng)的高溫長壽命石墨烯基鋰離子電池，不僅耐高溫“折磨”，在使用壽命上也比普通鋰電池多了1倍。
俗話說真金不怕火煉。被譽(yù)為“黑金”的石墨烯，是電池領(lǐng)域炙手可熱的“材料明星”。在《中國制造2025》中選擇的10大重點(diǎn)突破技術(shù)和戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)中，石墨烯材料是前沿新材料領(lǐng)域的四大重點(diǎn)之一。作為目前發(fā)現(xiàn)的厚度最薄、強(qiáng)度最高、導(dǎo)電性能最好的新型納米材料，石墨烯被稱為可改變21世紀(jì)的“神奇材料”，這一“新材料之王”也勢(shì)必會(huì)掀起電池領(lǐng)域的一場(chǎng)能源革命。
強(qiáng)勢(shì)登場(chǎng)的“材料明星”
“有一種物質(zhì)，如同愛麗絲仙境一般神奇，那就是石墨烯。”
石墨烯就是從石墨材料中剝離出來，由碳原子按照特殊結(jié)構(gòu)排列成的二維晶體。2004年英國曼徹斯特大學(xué)首次成功從石墨中分離出石墨烯，時(shí)隔6年之后他們因此獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
提起石墨我們一定不陌生，最常用的鉛筆筆芯就是石墨與黏土的混合，而石墨烯的主要來源就是石墨。換個(gè)角度看，石墨烯只有單層原子厚度，鉛筆芯中的石墨就相當(dāng)于無數(shù)層石墨烯的堆放疊加。由于石墨烯如此之薄，使用了石墨烯的材料也將在“身材”上大幅度“瘦身”，未來由石墨烯制成的手機(jī)厚度可能薄到如同銀行卡一般。
石墨烯雖然“出身”平平，卻技驚四座。它不僅是迄今為止自然界最薄的材料，也是強(qiáng)度最高的材料，石墨烯的斷裂強(qiáng)度比最好的鋼材還要高出200倍。石墨烯的彈性驚人，可被無限拉伸和彎曲，抗壓能力、導(dǎo)熱和導(dǎo)電性也令它在諸多材料中嶄露頭角。
此外，石墨還具有儲(chǔ)備量大、物美價(jià)廉的突出優(yōu)勢(shì)，我國的石墨礦儲(chǔ)量達(dá)到了世界總儲(chǔ)量的75%，為石墨烯的生產(chǎn)與應(yīng)用提供了豐富的來源。
即充即走將不是夢(mèng)
“充電7秒鐘，行駛35公里。”這不再是一句廣告語，而是我國中科院研究人員研制出的石墨烯基鋰電池具有的優(yōu)異儲(chǔ)能特性的展現(xiàn)。
石墨烯基鋰電池快速充電的原理源自鋰離子在石墨烯表面和電極之間的快速大量穿梭。事實(shí)上，鋰離子電池的充放電速度取決于鋰離子在電極中穿梭“游泳”的速度。石墨烯具備優(yōu)異的電子傳導(dǎo)性能和獨(dú)具一格的二維單原子結(jié)構(gòu)，可在電極間為鋰離子規(guī)劃出最優(yōu)移動(dòng)路徑，大幅度提升鋰離子電池的充放電速度。
據(jù)統(tǒng)計(jì)，通過摻入石墨烯，可使電子的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到光速的三百分之一，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了電子在一般導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)速度。這樣不僅可以帶來高效遷移，更減少了能量損耗，超強(qiáng)的導(dǎo)電性可有效改善傳統(tǒng)電池充電時(shí)間長、動(dòng)力不足等突出問題。
“電量焦慮”應(yīng)當(dāng)如何破解
長期以來，使用普通電池運(yùn)行的電子設(shè)備，電池續(xù)航能力是個(gè)“老大難”問題。現(xiàn)有的快充技術(shù)普遍采用增大電壓方式實(shí)現(xiàn)，為縮小體積，鋰離子電池的隔膜厚度也是不斷壓縮。然而這卻極易導(dǎo)致電池過熱，帶來電池自燃爆炸的安全隱患。
如今，石墨烯將成為“超級(jí)電池”這個(gè)夢(mèng)想的“圓夢(mèng)人”。石墨烯基鋰電池是在傳統(tǒng)鋰電池的電極材料中添加石墨烯的一種新型電池，具有充電速度更快、容量更大、壽命更長等突出優(yōu)勢(shì)。在此之前，我國就成功研制出石墨烯基鋰離子電池“烯王”，可經(jīng)受住-30攝氏度到80攝氏度的“嚴(yán)寒酷暑”考驗(yàn)，充電效率更是普通電池的24倍。
一旦采用了石墨烯基鋰電池驅(qū)動(dòng)，未來的新能源汽車?yán)m(xù)航能力將達(dá)到500公里，可大大緩解人們心中的“電量焦慮”問題。
無限可能的未來應(yīng)用
由于石墨烯材料本身的神奇特性，未來應(yīng)用前景廣闊。除應(yīng)用于新型電池外，石墨烯還可用于制造薄如紙片的超輕型飛機(jī)材料、堅(jiān)韌的防彈衣甚至是太空電梯的繩纜。美國科學(xué)家使用石墨烯制造的調(diào)制解調(diào)器，直徑只有頭發(fā)絲的四百分之一，卻具備了高速信號(hào)傳輸能力，可實(shí)現(xiàn)高清電影的瞬間下載。只要把10個(gè)石墨烯制成的調(diào)制解調(diào)器放在一起，傳輸速度可達(dá)到百萬兆，將比目前的光纖網(wǎng)絡(luò)速度快1萬倍。
石墨烯在其他一些領(lǐng)域的應(yīng)用也堪稱神奇。由于吸附能力強(qiáng)，石墨烯可用于海水淡化、污水處理等過濾裝置，并可憑借其良好的透光性用來制作特殊的透明電子材料，未來可彎曲折疊的手機(jī)屏幕很有可能就是“石墨烯造”。隨著新材料技術(shù)的快速發(fā)展，未來石墨烯可用于制成新型薄膜，在危險(xiǎn)化學(xué)品爆燃時(shí)只需一層薄膜就可化險(xiǎn)為夷。
（作者章翀 張乃千 單位：國防科技大學(xué)）
制圖：黃武星