鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量:931次 | 2022年01月04日
充電一次跑648公里!"超級(jí)電池"大突破 十年后統(tǒng)治地球?
據(jù)英國(guó)《金融時(shí)報(bào)》報(bào)道,劍橋大學(xué)在電化學(xué)領(lǐng)域的一項(xiàng)突破,或?qū)⒋呱沙潆姷某?jí)電池。這種電池在給定空間內(nèi)存儲(chǔ)的能量是目前最好電池的五倍,可大大拓展電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程,并可能大幅改觀電力存儲(chǔ)的經(jīng)濟(jì)效益。
化學(xué)教授克萊爾格雷和她的團(tuán)隊(duì)攻克了鋰空氣電池開(kāi)發(fā)中的技術(shù)難關(guān)。理論上說(shuō),只有這種電池能讓電動(dòng)汽車(chē)在不必?cái)y帶巨大而笨重的電池組的情況下,擁有可媲美汽油車(chē)及柴油車(chē)的續(xù)航里程。
假如能把該技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室的演示品轉(zhuǎn)變?yōu)樯唐?,將令汽?chē)只充一次電就能從倫敦駛到愛(ài)丁堡(約合648公里),所用電池的成本和重量卻只有今日電動(dòng)汽車(chē)所用鋰離子電池的五分之一。
和目前的可充電電池中盛行的鋰離子技術(shù)相比,鋰空氣電池理論上擁有巨大的優(yōu)勢(shì)——其能量密度可能要高10倍——以至于全球的研究人員都在開(kāi)展鋰空氣電池的研究。
發(fā)表在《科學(xué)》期刊上的一篇研究論文顯示,劍橋的這個(gè)團(tuán)隊(duì)攻克了這種技術(shù)中的部分實(shí)際問(wèn)題——尤其是化學(xué)上的不穩(wěn)定問(wèn)題。在此之前,由于這種化學(xué)上的不穩(wěn)定,鋰空氣電池會(huì)顯示出性能迅速衰退的現(xiàn)象。
充電溫度:0~45℃
-放電溫度:-40~+55℃
-40℃最大放電倍率:1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
鋰空氣電池的基本化學(xué)原理十分簡(jiǎn)單。這種電池通過(guò)鋰和氧結(jié)合成過(guò)氧化鋰實(shí)現(xiàn)放電,再通過(guò)施加電流逆轉(zhuǎn)這一過(guò)程而完成充電。而如何可靠地令上述反應(yīng)在許多周期內(nèi)反復(fù)發(fā)生,則是該技術(shù)面對(duì)的挑戰(zhàn)。
劍橋的科學(xué)家對(duì)相關(guān)化學(xué)過(guò)程做了調(diào)整,以提高其可控性。比如,他們將過(guò)氧化鋰轉(zhuǎn)變?yōu)楦滋幚淼臍溲趸?,還向系統(tǒng)中添加了碘化鋰,并用石墨烯制作了滲透性極好的"蓬松"電極。所謂石墨烯,是12年前曼徹斯特大學(xué)發(fā)現(xiàn)的一種碳的同素異形體。
研究人員表示,劍橋?qū)嶒?yàn)室中展示的電池系統(tǒng)效率達(dá)90%,可充電2000次。不過(guò)他們表示,可能至少還需10年的工作,才能將該電池變?yōu)榭捎糜谄?chē)和電網(wǎng)蓄電的商業(yè)電池。電網(wǎng)蓄電裝置用于存儲(chǔ)太陽(yáng)能和風(fēng)能發(fā)電站間歇發(fā)出的電力,以便在要的時(shí)候使用。
什么是超級(jí)電池
超級(jí)電池是美國(guó)科學(xué)家研制的一種新型電池,它們被稱為微型石墨烯超級(jí)電容,其充電和放電速度比普通電池快1000倍。
標(biāo)稱電壓:28.8V
標(biāo)稱容量:34.3Ah
電池尺寸:(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域:勘探測(cè)繪、無(wú)人設(shè)備
超級(jí)電池采用單原子厚度的碳層構(gòu)成,這項(xiàng)技術(shù)能夠在最短時(shí)間內(nèi)對(duì)手機(jī)和汽車(chē)快速充電,能夠很容易制造并整合成為器件,未來(lái)有望制造更小的手機(jī)。
為了研制這種微型超級(jí)電池,研究人員使用二維石墨烯層,在第三維立體層面其厚度僅有單個(gè)原子。由于制造微型超級(jí)電容的傳統(tǒng)方法涉及到密集型光刻技術(shù),被證實(shí)很難制造成本低廉的器件,因此在商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域受限。
石墨烯技術(shù)的應(yīng)用至今仍處于初級(jí)階段,尤其是能讓電池體積和重量大幅縮小的單層石墨烯材料,成品率低,生產(chǎn)成本高,成為石墨烯電池難以產(chǎn)業(yè)化的重要成因。因而,通過(guò)進(jìn)一步創(chuàng)新,完善技術(shù)工藝,降低生產(chǎn)成本,是今后石墨烯電池發(fā)展的關(guān)鍵。目前,我國(guó)在石墨烯研發(fā)及應(yīng)用上走在世界前列,已有多款石墨烯電池和石墨烯鋰硫電池取得了突破性進(jìn)展。
當(dāng)然,全球在電池領(lǐng)域的研發(fā)不僅限于石墨烯,日本就在研發(fā)利用鎂生產(chǎn)性能更高、成本更低的蓄電池;瑞典正在研究利用碳纖維來(lái)提高鋰離子電池的性能。但這些新技術(shù)要真正實(shí)用化,甚至形成巨大的產(chǎn)業(yè),還要經(jīng)過(guò)市場(chǎng)的洗禮。
總之,尋找超級(jí)電池的過(guò)程,是科技創(chuàng)新的過(guò)程,也是產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的過(guò)程。以石墨烯為代表的超級(jí)電池實(shí)現(xiàn)突破之日,將是包括電動(dòng)汽車(chē)、手機(jī)、電腦等一切靠電力驅(qū)動(dòng)設(shè)備變革之時(shí),對(duì)多個(gè)行業(yè)將具有顛覆性意義,必將為人類生活翻開(kāi)新的一頁(yè)。
石墨烯簡(jiǎn)介:
石墨烯(Graphene)墨烯是從石墨材料中剝離出來(lái)、由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體。2004年,英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫,成功從石墨中分離出石墨烯,證實(shí)它可以單獨(dú)存在,兩人也因此共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
石墨烯既是最薄的材料,也是最強(qiáng)韌的材料,斷裂強(qiáng)度比最好的鋼材還要高200倍。同時(shí)它又有很好的彈性,拉伸幅度能達(dá)到自身尺寸的20%。它是目前自然界最薄、強(qiáng)度最高的材料,假如用一塊面積1平方米的石墨烯做成吊床,本身重量不足1毫克可以承受一只一千克的貓。
石墨烯目前最有潛力的應(yīng)用是成為硅的替代品,制造超微型晶體管,用來(lái)生產(chǎn)未來(lái)的超級(jí)計(jì)算機(jī)。用石墨烯取代硅,計(jì)算機(jī)處理器的運(yùn)行速度將會(huì)快數(shù)百倍。
另外,石墨烯幾乎是完全透明的,只吸收2.3%的光。另一方面,它非常致密,即使是最小的氣體原子(氦原子)也無(wú)法穿透。這些特點(diǎn)使得它非常適合作為透明電子產(chǎn)品的原料,如透明的觸摸顯示屏、發(fā)光板和太陽(yáng)能電池板。