比較超級電容器和電池，如圖所示的表面介導(dǎo)電池有三種不同的電極厚度，既有高功率密度，也有高能量密度。來源：美國化學(xué)學(xué)會

從哪方面看，它都像是一項電池技術(shù)的突破，只是它不是電池。納米技術(shù)儀器股份有限公司（NanotekInstruments,Inc.）及其附屬公司，俄亥俄州（Ohio）代頓（Dayton）的安格斯特朗材料股份有限公司（AngstronMaterials,Inc.）的研究人員，開發(fā)出一種新規(guī)范，用于設(shè)計儲能設(shè)備，這種設(shè)備依賴于使大量鋰離子快速穿梭在電極之間，這種電極具有很大的石墨烯表面。這種能量存儲裝置可以證明對電動汽車非常有用，它可以減少充電時間，從數(shù)小時縮短到不到一分鐘。其他應(yīng)用可能包括可再生能源儲存（例如，儲存太陽能和風(fēng)能）和智能電網(wǎng)。

研究人員稱，這種新設(shè)備是石墨烯表面功能的鋰離子交換電池，或更簡單地說，是表面介導(dǎo)電池（SMCS：surface-mediatedcells）。雖然目前的設(shè)備使用未優(yōu)化的材料和結(jié)構(gòu)，但是，它們已經(jīng)可以超越鋰離子電池和超級電容器。這種新設(shè)備可以供應(yīng)每公斤電池100千瓦的功率密度，比商業(yè)化鋰離子電池高100倍，比超級電容器高10倍。功率密度越高，能量轉(zhuǎn)移速度越快（會導(dǎo)致更快的充電速度）。此外，這種新電池可以儲存的能量密度為每公斤電池160瓦時，可媲美商業(yè)化鋰離子電池，比傳統(tǒng)超級電容器高30倍。能量密度越大，相同體積的設(shè)備可以存儲的能量越多（帶來電動汽車更長的行駛里程）。

假如有相同的設(shè)備重量，目前的表面介導(dǎo)電池和鋰離子電池可以為電動汽車供應(yīng)類似的行駛里程，納米儀器公司和安格斯特朗材料公司聯(lián)合創(chuàng)始人姜鮑爾茲（BorZ.Jang）說，我們的表面介導(dǎo)電池就像目前的鋰離子電池相同，可進(jìn)一步提高能量密度，因此同樣可以提高行程。然而，在原則上，表面介導(dǎo)電池可以在幾分鐘內(nèi)充電（可能不到一分鐘），而不是數(shù)小時，就像目前電動汽車使用的鋰離子電池那樣。

姜鮑爾茲和他在納米技術(shù)儀器公司和安格斯特朗材料公司的合作者，已經(jīng)發(fā)表了這項研究，就是對下一代能量存儲設(shè)備的研究，就發(fā)表在最近一期的《納米快報》（NanoLetters）上。兩家公司都專門從事納米材料的商業(yè)化，安格斯特朗公司是世界上最大的納米石墨烯片晶（NGPs：nanographeneplatelets）生產(chǎn)商。

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正如研究人員在他們的研究中解釋說，在能量存儲上，電池和超級電容器都有各自的長處和弱點(diǎn)。雖然鋰離子電池的能量密度（120-150瓦時/公斤電池）比超級電容器（5瓦時/公斤電池）高得多，但是，這種電池具有低得多的功率密度（1千瓦/公斤電池，比較10千瓦/公斤電池）。許多研究小組做出努力，以新增鋰離子電池的功率密度，提高超級電容器的能量密度，但是，這兩個領(lǐng)域仍然具有重大的挑戰(zhàn)。因為供應(yīng)了一個全新的框架，可用于儲能裝置，所以，這種表面介導(dǎo)電池使研究人員能夠繞過這些挑戰(zhàn)。

開發(fā)這種新的儲能裝置，縮小了鋰離子電池和超級電容器性能上的差距，姜鮑爾茲說。更重要的是，這一根本上新的框架，用于制造儲能裝置，使研究人員既可以實現(xiàn)高能量密度，也可以實現(xiàn)高功率密度，而不必犧牲一個來換取另一個。

表面介導(dǎo)電池電極有很大表面積，使大量離子在電極之間快速穿梭，帶來快速的充電時間。來源：美國化學(xué)學(xué)會

表面介導(dǎo)電池性能的關(guān)鍵，是陰極和陽極都包含非常大的石墨烯表面。在制造電池時，研究人員把鋰金屬（以粒子或金屬箔的形式）放在陽極。在首次放電周期，鋰被離子化，帶來的鋰離子數(shù)量，比在鋰離子電池中要大得多。在電池被使用時，這些離子通過液體電解質(zhì)遷移到陰極，進(jìn)入陰極中的孔穴，到達(dá)陰極內(nèi)很大的石墨烯表面。在充電過程中，大量的鋰離子通量迅速從陰極遷移到陽極。很大的電極表面積，使大量離子在電極之間快速穿梭，出現(xiàn)很高的功率和能量密度。

研究人員解釋說，多孔電極表面（而不是在塊狀電極中，就像電池中那樣）之間的鋰離子交換，完全不要耗時的插層過程。在這個過程中，鋰離子必須插入電極之間，這就構(gòu)成了重要的電池充電時間。

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應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測繪、無人設(shè)備

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在這項研究中，雖然研究人員采用大量不同類型的石墨，制備了不同類型的石墨烯（氧化的，降低的單層和多層石墨烯），但是，要進(jìn)一步分析這些材料和配置，以優(yōu)化這種設(shè)備。一方面，研究人員計劃進(jìn)一步研究這種電池的循環(huán)壽命。到目前為止，他們發(fā)現(xiàn)，這些設(shè)備在經(jīng)過1000次循環(huán)后，可以保留95％的容量，甚至在2000次循環(huán)后，仍然沒有表現(xiàn)出枝蔓晶（dendrite）形成的跡象。研究人員還計劃探討，不同的鋰存儲機(jī)制對設(shè)備性能的相對用途。

我們估計，表面介導(dǎo)電池技術(shù)的商業(yè)化不會有什么大的障礙，姜鮑爾茲說。雖然目前石墨烯是高價出售，但是，安格斯特朗材料公司正在積極擴(kuò)大石墨烯生產(chǎn)量力。預(yù)計在未來1-3年，石墨的生產(chǎn)成本將顯著降低。