新型石墨烯量子電池突破傳統(tǒng)電池極限

　　近幾年，新能源的勢(shì)頭很猛，無(wú)論是有關(guān)它的項(xiàng)目還是產(chǎn)品，隨隨便便都能造成一個(gè)話(huà)題引人關(guān)注，新能源石墨烯量子電池就是一個(gè)很好的例子。

　　除了工業(yè)應(yīng)用，目前電池比較大眾化的用途主要用于手機(jī)與電動(dòng)汽車(chē)兩方面。然而，長(zhǎng)期以來(lái)，傳統(tǒng)的鋰離子電池都有耗能、成本高、使用條件有限制、充電時(shí)間長(zhǎng)、續(xù)航時(shí)間短等問(wèn)題。特別是使用時(shí)長(zhǎng)，相信大部分人都或多或少遭遇過(guò)關(guān)鍵時(shí)刻手機(jī)或汽車(chē)突然沒(méi)電的尷尬。而隨著工業(yè)時(shí)代的發(fā)展，電池作為動(dòng)力的來(lái)源，在世界市場(chǎng)上占領(lǐng)的份額越來(lái)越大，傳統(tǒng)電池的這些問(wèn)題也就成了其自身的“詬病”，亟待解決。技術(shù)和材料是主要攻破點(diǎn)，在意識(shí)到電池行業(yè)將是個(gè)龐大的市場(chǎng)后，數(shù)年來(lái)，一大批國(guó)內(nèi)外企業(yè)和機(jī)構(gòu)紛紛投入研究，都希望能找出一種完美的材料發(fā)展新型電池，突破使用局限。

　　與此同時(shí)，一直致力于石墨烯研發(fā)的聚碳復(fù)材發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)鋰離子電池都采用石墨類(lèi)負(fù)極材料，在負(fù)極性能相似的情況下，鋰離子電池的性能很大程度上取決于正極材料。因此，聚碳復(fù)材研究人員想到了在電池上采用新的能源材料石墨烯。其實(shí)驗(yàn)表明，通過(guò)在鋰電池正負(fù)極材料中添加石墨烯，一是作為導(dǎo)電劑，二是作為負(fù)極電極嵌鋰材料，在降低電池內(nèi)阻的同時(shí)，可以達(dá)到實(shí)現(xiàn)高倍率快充快放和大幅提高電池循環(huán)壽命以及提升電池耐受高低溫的性能的作用。

　　石墨烯電池取得了革命性成功的同時(shí)，聚碳復(fù)材石墨烯量子電池研究領(lǐng)域也取得了輝煌的研發(fā)成果。近日，聚碳復(fù)材首席科學(xué)家，哈爾濱工業(yè)大學(xué)王殿龍教授在石墨烯量子電池領(lǐng)域取得重大突破。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算，他們發(fā)現(xiàn)自主研發(fā)的納米石墨烯/LiFePO4電池在水溶液中具有超快充放電速度，在200C(3600/200=18秒)充放電倍率下，容量可保持理論容量的92%。這一倍率性能超過(guò)2009年MIT Ceder教授在Nature上報(bào)道的最快充放電速度(150 C下容量保持56%)，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)比同等條件下有機(jī)電解液的充放電速度快約10倍。

　　通過(guò)電化學(xué)實(shí)驗(yàn)和模擬，及量子化學(xué)第一性原理計(jì)算，發(fā)現(xiàn)納米石墨烯/LiFePO4超充放電的機(jī)理，關(guān)鍵是LiFePO4納米顆粒與不同電解液接觸形成的新的固液界面結(jié)構(gòu)，該固液界面的結(jié)構(gòu)成為鋰離子脫嵌過(guò)程及鋰離子輸運(yùn)速度的決速步。石墨烯/LiFePO4與水溶液電解質(zhì)接觸后，表面化學(xué)吸附鍵合水分子的氧原子彌補(bǔ)了表面的對(duì)稱(chēng)性破缺，形成了與體相對(duì)稱(chēng)性一樣的結(jié)構(gòu)，同時(shí)又形成了一層水合界面。這層界面不僅有類(lèi)似于體相的結(jié)構(gòu)，同時(shí)也具有溶液中鋰離子的水合結(jié)構(gòu)，形成一層Janus(古希臘神話(huà)中的雙面神)界面。這將降低鋰離子在界面處的脫嵌能壘，有利于鋰離子溶劑化和去溶劑化過(guò)程。此項(xiàng)研究將為今后進(jìn)一步提高納米量子電容電池倍率性能提供新的方法和視角，即通過(guò)調(diào)控正極材料的界面性質(zhì)提高電容電池的倍率性能。

　　值得一提的是，聚碳復(fù)材研究人員不但提高了電池的續(xù)航能力，在防鼓防燃上也比傳統(tǒng)電池做得更好，成功扭轉(zhuǎn)了蓄電池在過(guò)熱或過(guò)冷的天氣都會(huì)受到影響的尷尬局面，使電動(dòng)汽車(chē)哪怕處于低溫狀態(tài)，都能充滿(mǎn)電并順暢使用。產(chǎn)品落地后，聚碳復(fù)材將這款真正意義上的石墨烯電池稱(chēng)作石墨烯量子電池，預(yù)計(jì)將于2017年4月上市。

　　研究小組估計(jì)，如果石墨烯量子電池得到廣泛應(yīng)用，將帶動(dòng)智能手機(jī)跟電動(dòng)汽車(chē)為中國(guó)帶來(lái)每年數(shù)以?xún)|計(jì)的經(jīng)濟(jì)利潤(rùn)。