什么是石墨烯电池？ [简单概述]

如今，电池技术有了很大的改进。但是，如果有一件事人们永远无法获得足够的东西，那就是延长电池寿命的承诺。如果我们的笔记本电脑和智能手机只需一次充电就可以持续整整一周的密集使用，这不是很好吗？或者，如果电动汽车可以在几分钟内充满电呢？

有了石墨烯电池，一切皆有可能。

石墨烯是目前研究最多的电荷存储材料。来自世界各地不同实验室的研究结果证实了其彻底改变储能行业的潜力。

石墨烯于 2004 年被发现，在未来十年内可以为储能设备带来许多新特性，例如完全可卷曲的电池、更小的电容器、高容量和快速充电设备以及透明电池。

让我们深入挖掘并了解更多关于这项改变游戏规则的技术：它与现有的锂离子电池有何不同，它的应用是什么，以及它为何如此重要。

究竟什么是石墨烯电池？

石墨烯是一种排列在二维蜂窝晶格中的碳原子片，由于其独特的特性，被公认为“神奇材料”。它是一种极好的热和电导体，非常灵活，几乎透明，比相同厚度的钢强 100 倍，而且非常轻。

石墨烯中的原子排列成二维蜂窝状晶格

由于该材料还具有环保性和可持续性，因此在广泛的应用中具有无限的可能性。其中一项有前景的应用是下一代电池。

石墨烯可以集成到不同种类的电池中：金属-空气、氧化还原流、锂-金属、锂-硫，更重要的是，锂离子电池。可以化学加工成适合正负极的不同版本。

用石墨烯制成的电池可以为手持设备和电动汽车的所有设备供电。与现有的商用（锂离子）电池相比，它们具有更大的功率和更长的生命周期。

石墨烯作为电池也可以用作超级电容器，它可以非常快速地充电和放电。事实上，它们可以帮助文明最终摆脱有害的化石燃料。

它们与传统电池有何不同？

石墨烯电池技术类似于锂离子电池：它有两个固体电极和一个电解质溶液，可以使离子流动。然而，一些石墨烯电池采用固体电解质。

主要区别在于一个或两个电极的成分。在传统电池中，阴极（正极）完全由固态材料制成。然而，在石墨烯电池中，阴极由包含石墨烯和固态金属材料的混合组件制成。

电极中使用的石墨烯量会有所不同，具体取决于固态材料的效率和性能要求。此外，石墨烯作为负极具有高容量和优异的倍率性能。

当前的挑战

近年来，研究人员已经展示了各种性能优于市售电池的石墨烯电池。但是，该技术尚未进入市场。仍有两个主要障碍需要克服：

1. 缺乏大量生产高质量石墨烯的有效工艺
2. 目前的生产成本高得令人望而却步。

生产一公斤石墨烯要花费数万美元：数量根据材料质量要求而有所不同。由于目前用于超级电容器的活性炭价格低廉（每公斤15美元），其他材料很难进入商业市场。

石墨烯电池的12个新特性

很快，石墨烯就可以建立具有当前技术无法实现的非凡功能的新一代储能设备。

1. 具有交流线路滤波的超级电容器

基于垂直取向石墨烯片的双电层电容器可以非常快速地充电/放电（不到一毫秒）。已有数十种材料经过交流线路滤波测试，包括氧化石墨烯、石墨烯-CNT（碳纳米管）地毯和石墨烯量子点。

这种超快超级电容器可以取代目前电子产品中使用的大型电解电容器，使电子设备更轻、更小。

2. 柔性储能装置

现有的电池和超级电容器是刚性的：因此，弯曲它们可能会导致电解液泄漏和电池损坏。然而，石墨烯具有二维一原子厚的结构，可以在垂直于其表面的方向变形而不会造成任何损坏。

除了这种固有的机械柔韧性，非凡的电气特性和大表面积使石墨烯成为一种很有前途的柔性电池材料。

3. 可伸缩电池和超级电容器

利用微蜂窝石墨烯-碳纳米管/活性材料复合电极和物理交联凝胶电解质的结构可拉伸性，可以构建可拉伸的储能装置。

可拉伸基材上的石墨烯-碳纳米管/活性材料薄膜|图片来源：ACS Nano

通过缠结的碳纳米管和石墨烯片相互连接的活性材料提供了机械稳定的多孔网络框架，而蜂窝结构中向内突出的框架允许变形过程中的结构拉伸。

4. 快充锂离子电池

由于石墨烯可以在电极中实现更快的离子和电子转移，因此配备石墨烯的锂离子电池可以在更短的时间内进行充电和放电。

例如，在柔性石墨烯泡沫上装载纳米级 LiFePO4 正极和 Li4Ti5O12 负极材料的锂离子电池仅需 18 秒即可充满电。纯石墨烯也可用于阳极，以提高容量和超快充放电速率。

5. 可穿戴设备电池

同轴和芯鞘电极的最新进展使得将电极材料和集电器结合在一根纱线中成为可能，这种纱线可以直接编织或针织成纺织品。

石墨烯可以有效组装成多功能微纤维并编织成织物。石墨烯芯鞘微纤维已被用于展示柔性和可拉伸超级电容器（具有高面电容），可以使用传统编织方法将其结合到纺织品中。

6. 用于轻量级设备的超薄集电器

现有的电池使用厚度为 20-80 微米的金属箔集电器（如铜、铝或镍）来促进电极和外部电路之间的电子流动。由于这些金属不储存电荷，它们会降低电池的整体能量密度。此外，它们会受到腐蚀，对电池的内阻和电池寿命产生负面影响。

另一方面，石墨烯是更好的替代集电器。它具有高导电性、低密度，在极端工作条件下也能稳定工作。石墨烯可以很容易地转化为表面带有波纹和皱纹的薄膜，从而与活性材料有更好的电接触（这进一步降低了电池电阻）。

7. 透明电池和超级电容器

由于其高导电性和良好的透明度（高达 97.7% 的透光率），石墨烯可以在使透明电池更高效方面发挥重要作用。它不仅可以作为电极材料用于开发透明储能器件，还可以用于智能窗、太阳能电池和各种光电设备。

8. 更持久的电池

今天的锂离子电池使用石墨阳极。用石墨烯代替石墨可以提高其能量密度。

折叠石墨烯纸、多孔石墨烯薄膜和溶剂化石墨烯框架形式的石墨烯电极的容量是传统石墨电极的三倍，有望为电动汽车提供更长的续航里程和更长的手持设备运行时间。

石墨烯负极掺杂氮和硼可以进一步提高容量和功率密度。

9. 氧化石墨烯作为固体电解质和隔膜

氧化石墨烯是一种良好的电子绝缘体。它可以同时用作可行的固体电解质和电极隔膜。一些研究表明，作为固体电解质的氧化石墨烯薄膜表现出高电容，但与介电电容器类似，具有不可检测的离子扩散。

这些观察结果可能有助于研究人员开发出不受离子扩散影响的超快、重量轻、能量密集的电容器，而离子扩散通常是造成电解质泄漏危险的原因。

10.具有电池能量密度的超级电容器

由[多孔和致密]石墨烯泡沫制成的超级电容器往往具有与铅酸电池相当的超高能量密度。这些石墨烯泡沫是通过在石墨烯的基面挖出小孔，然后用先进的液压设备进行压缩制成的。

与传统超级电容器相比，石墨烯超级电容器的主要优势在于它们使用水性电解质运行，并且无需任何复杂的“干燥室”组装即可制造。

11. 半透氧化石墨烯膜

氧化石墨烯膜显示出各种独特的阻隔特性。在干燥状态下，这些膜对除水蒸气外的所有物质都是不可渗透的。在水中，它们起到分子筛的作用，阻挡大离子，同时促进小离子的传输。

这些特性可能有助于开发用于超级电容器、电池和燃料电池的新一代离子选择性膜。

12. 粘合剂和无添加剂电极

粘合剂和添加剂一起占电极质量的 40%。它被称为“死质量”，因为它不存储任何电荷，从而降低了整体能量密度。

但由于石墨烯可以组装成具有高导电性的自立式 2D 和 3D 结构，因此可以直接将石墨烯结合到电极中，而无需添加任何粘合剂和导电剂。

阅读：固态电池 [简单概述]

近期研究

近十年来，科学家们专注于提高现有电池的综合电化学性能和可靠性。他们开发并测试了多种搭载石墨烯复合材料的不同版本电池。

基于优化石墨烯/硅纳米复合材料的锂离子电池

研究人员使用简便的模板化自组装方法制造了一种优化的还原氧化石墨烯/硅复合材料。石墨烯均匀地支撑硅纳米颗粒，形成三维网络（由于增强的分子间相互作用和增加的比表面积）。

优化的RGO/Si复合材料的合成策略|图片来源：ACS 出版物

可作为稳定的固体电解质界面片，提高导电性和结构稳定性。

基于石墨烯的软包电池

基于石墨烯的准固态锂氧电池提供比现有锂离子聚合物电池更高的重量和体积能量密度。它由3D多孔石墨烯正极、多孔石墨烯/锂负极和氧化还原介体改性凝胶聚合物电解质组成。

石墨烯锂氧电池示意图|信用：自然

该研究为开发安全稳定、循环稳定、大容量、低充电过电位的锂氧电池开辟了新途径。

用于电容储能的石墨烯层压薄膜

2020 年，一组研究人员设计了一种具有高效孔隙利用率的独立式石墨烯层压膜电极。通过调整薄膜的层间距很容易配置孔隙率。由于孔隙得到最佳利用，体积电容最大化。

柔性石墨烯超级电容器可以存储比传统电容器多 10 倍的能量 |图片来源：伦敦大学学院

这种类型的超级电容器在 5,000 次循环后可以保留其能量容量的 97.8%。它们也非常灵活：弯曲 180 度时的表现与平躺时的表现几乎相同。

激光诱导石墨烯基电极

科学家们通过单脉冲激光光子还原冲压制造了一种柔性微型超级电容器。采用这种方法，每秒可产生1000个空间成形激光，10分钟内可生产3万多个微型超级电容器。

在一平方厘米的区域内制造了超过 30,000 个 MSC |图片来源：北京理工大学

这种激光诱导石墨烯基电极具有优异的比电容、超短时间常数、超高能量密度和长期循环性能。

市场

石墨烯研究将在未来十年继续扩大，有望改善人类生活。 2019年全球石墨烯电池市场价值4900万美元，预计到2027年将达到约3.99亿美元，预测期内CAGR（复合年增长率）超过31%。

市场增长的驱动因素是石墨烯电池在电动汽车、便携式电子设备中的使用以及非常规能源的采用激增。由于环境问题对电动汽车的需求不断增加，预计汽车领域的增长率最高。

阅读：10 种不同类型的电池 |说明

从地区来看，亚太地区预计将占石墨烯电池行业的最大份额。导致需求增加的主要国家是中国、日本和韩国。欧洲很可能在全球石墨烯电池市场中占据第二大份额。