“超級電池”看好石墨烯 真正上路尚需時日

　　電池是電動汽車的心臟。盡管目前國家大力推廣電動汽車，但是續(xù)航里程短、充電時間長等短板，依舊阻礙著電動汽車大量進入尋常百姓家。如今，越來越多的科研院所和汽車企業(yè)正在研發(fā)新一代超級電池，以解決動力電池存在的諸多問題。

　　前段時間，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、美國賓夕法尼亞大學合作，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儲能特性，除了超快速充放電，它還可以循環(huán)充電5萬次以上，有望為電池行業(yè)帶來革命性變化。該成果發(fā)表在美國《科學》雜志上。

　　“超級電池”看好石墨烯

　　“從電動汽車誕生那一天起，科學家們就一直在探索用各種新材料和新技術(shù)，來提高電池的續(xù)航里程。”河北大學新能源汽車研究中心王濤博士介紹，電動車有100多年的歷史，比燃油車還早半個世紀。

　　據(jù)了解，電動車的歷史可追溯到1834年，那一年蘇格蘭人羅伯特·安德森制造了第一輛電動汽車，它由一組不可充電的干電池驅(qū)動，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——鉛酸電池為動力的電動車。19世紀末到20世紀初，電動車進入到發(fā)展的黃金時代，法國、英國和美國相繼出現(xiàn)電動車制造公司，電動汽車一度占領(lǐng)了40%的汽車市場。然而，20世紀20年代后，內(nèi)燃機技術(shù)不斷更新，再加上燃油汽車行駛里程是電動車的3倍，且使用成本低……這種背景下，電動車很快從歐美汽車市場中消失了。

　　“鉛酸電池體積大、質(zhì)量重、充電時間長、續(xù)航里程較短，再加上電力傳動系統(tǒng)的制造成本過高等因素困擾，被市場淘汰也是必然。”王濤表示，20世紀80年代至90年代，日本和美國的一些汽車廠家也生產(chǎn)過一系列電動車，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(xiàn)。進入新世紀以來，環(huán)境污染、能源日漸枯竭等問題不斷加劇，電動汽車再次成為各大車企重點關(guān)注的對象。而且隨著鋰離子電池的引入，電動汽車進入又一個飛速發(fā)展的黃金時期?！芭c鉛酸電池相比，鋰離子電池在續(xù)航里程、充電時間、電池壽命等方面，都有了很大的提高，但仍無法達到與燃油汽車相同的性能?！蓖鯘榻B，目前市面上電動汽車，除了售價昂貴的豪華品牌以外，純電動車所標稱的續(xù)航里程都在300公里以內(nèi)。

　　目前，越來越多的科研院所和汽車企業(yè)正在研發(fā)下一代超級電池，力圖使電動汽車取得突破性進展。

　　“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(shù)量的能量?！蓖鯘硎?，電池的升級換代，往往體現(xiàn)在電池材料的更新上。目前，許多研究機構(gòu)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(jù)介紹，石墨烯是從石墨材料中剝離出來、由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體。它是一個網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，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(yīng)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(wěn)定化學結(jié)構(gòu)特點，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(tǒng)電容器和電池之間的一種電化學儲能裝置。與電池類似，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(wěn)定性好、功率密度高但電容量小(<250法拉/克)，而且現(xiàn)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(wěn)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持續(xù)攻關(guān)，通過反復試驗，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(jié)構(gòu)，具有優(yōu)異的電化學儲能特性，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(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)氮原子在石墨烯中的結(jié)構(gòu)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(xiàn)為科研人員設(shè)計高電化學活性的電極材料提供了新的思路。

　　事實上，石墨烯材料已被汽車電池研究專家廣泛采用。日前，劍橋大學化學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發(fā)中的技術(shù)難關(guān)，相關(guān)成果也發(fā)表在《科學》雜志上。