美國研發鋰離子交換電池 電動車充電僅需一分鍾

一種看起來怎麽(me) 也和電池搭不上界的物質，成了突破電池技術瓶頸的關(guan) 鍵。美國俄亥俄州Nanotek儀(yi) 器公司的研究人員利用鋰離子可在石墨烯表麵和電極之間快速大量穿梭運動的特性，開發出一種新型儲(chu) 能設備，可以將充電時間從(cong) 過去的數小時之久縮短到不到一分鍾。該研究發表在近期出版的《納米快報》上。

電池充電性能成為(wei) 電動車發展的最大挑戰

眾(zhong) 所周知，電動汽車因其清潔節能的特點而被視為(wei) 汽車的未來發展方向，但電動汽車的發展麵臨(lin) 的主要技術瓶頸就是電池技術。這主要表現在以下幾個(ge) 方麵：一是電池的能量儲(chu) 存密度，指的是在一定的空間或質量物質中儲(chu) 存能量的大小，要解決(jue) 的是電動車充一次電能跑多遠的問題。二是電池的充電性能。人們(men) 希望電動車充電能像加油一樣，在幾分鍾內(nei) 就可以完成，但耗時問題始終是電池技術難以逾越的障礙。動輒數小時的充電時間，讓許多對電動車感興(xing) 趣的人望而卻步。因此，有人又將電動車電池的充電性能稱為(wei) 電動車發展的真正瓶頸。

目前在電池技術上主要采用的是鋰電池和超級電容技術，鋰電池和超級電容各有長短。鋰離子電池能量儲(chu) 存密度高，為(wei) 120瓦/公斤到150瓦/公斤，超級電容的能量儲(chu) 存密度低，為(wei) 5瓦/公斤。但鋰電池的功率密度低，為(wei) 1千瓦/公斤，而超級電容的功率密度為(wei) 10千瓦/公斤。目前大量的研究工作集中於(yu) 提高鋰離子電池的功率密度或增加超級電容的能量儲(chu) 存密度這兩(liang) 個(ge) 領域，但挑戰十分巨大。

新研究通過采用石墨烯這種神奇的材料，繞過了挑戰。石墨烯因具有如下特點成為(wei) 新儲(chu) 能設備的首選：它是目前已知導電性最高的材料，比銅高五倍；具有很強的散熱能力；密度低，比銅低四倍，重量更輕；表麵麵積是碳納米管兩(liang) 倍時，強度超過鋼；超高的楊氏模量和最高的內(nei) 在強度；比表麵積(即單位質量物料所具有的總麵積)高；不容易發生置換反應。

新設備讓電動車不到1分鍾充滿電

新儲(chu) 能設備又稱為(wei) 石墨烯表麵鋰離子交換電池，或簡稱為(wei) 表麵介導電池(SMCS)，它集中了鋰電池和超級電容的優(you) 點，同時兼具高功率密度和高能量儲(chu) 存密度的特性。雖然目前的儲(chu) 能設備尚未采用優(you) 化的材料和結構，但性能已經超過了鋰離子電池和超級電容。新設備的功率密度(即電池能輸出最大的功率除以整個(ge) 燃料電池係統的重量或體(ti) 積)為(wei) 100千瓦/公斤，比商業(ye) 鋰離子電池高100倍，比超級電容高10倍。功率密度高，能量轉移率就高，充電時間就會(hui) 縮短。此外，新電池的能量儲(chu) 存密度為(wei) 160瓦/公斤，與(yu) 商業(ye) 鋰離子電池相當，比傳(chuan) 統超級電容高30倍。能量儲(chu) 存密度越大，存儲(chu) 的能量就越多。

SMC的關(guan) 鍵是其陰極和陽極有非常大的石墨烯表麵。在製造電池時，研究人員將鋰金屬置於(yu) 陽極。首次放電時，鋰金屬發生離子化，通過電解液向陰極遷移。離子通過石墨烯表麵的小孔，到達陰極。在充電過程中，由於(yu) 石墨烯電極表麵積很大，大量的鋰離子可以迅速從(cong) 陰極向陽極遷移，形成高功率密度和高能量密度。研究人員解釋說，鋰離子在多孔電極表麵的交換可以消除嵌插過程所需的時間。在研究中，研究人員準備了氧化石墨烯、單層石墨烯和多層石墨烯等各種不同類型的石墨烯材料，以便優(you) 化設備的材料配置。下一步將重點研究電池的循環壽命。目前的研究表明，充電1000次後，可以保留95%容量；充電2000次後，尚未發現形成晶體(ti) 結構。研究人員還計劃探討鋰不同的存儲(chu) 機製對設備性能的影響。

研究表明，在重量相同的情況下，僅(jin) 以尚未優(you) 化的SMC替代鋰離子電池，SMC或鋰離子電池電動車的駕駛距離相同，但SMC的充電時間不到一分鍾，而鋰離子電池則需要數小時。研究人員相信，優(you) 化後SMC的性能會(hui) 更好。

如果今後電動汽車廣為(wei) 流行，充電站設置在加油站，其結果將會(hui) 出現一幅十分有趣的情景，那就是電動車的充電時間將比加油還要快，而且比加油還便宜。研究人員表示，除了電動汽車外，該設備還可用於(yu) 再生能源儲(chu) 存(如儲(chu) 存太陽能和風能)和智能電網。