超级电池(石墨烯锂离子表面电池).ppt

电动汽车因其清洁节能的特点而被视为汽车的未来发展方向，但电动汽车的发展面临的主要技术瓶颈就是电池技术。 动辄数小时的充电时间，让许多对电动车感兴趣的人望而却步。因此，有人又将电动车电池的充电性能称为电动车发展的真正瓶颈。 现有的电池技术 类型 锂电池 超级电容 优点 储存电量多 充电快 缺点 充电时间长 储存电量不足 据国外媒体报道，美国研究人员已经公布了他们研制的一种新型电池，这种电池能在几秒内给手机，甚至是汽车充满电。 这种装置的充电或者是放电速度比常规电池快100倍到1000倍。 这就是石墨烯表面锂离子交换电池，或简称为表面介导电池（SMCS） 石墨烯 石墨烯是只有一个碳原子层厚度的石墨，碳原子通过SP2杂化成键，与周围其他三个碳原子以C—C单键相连，同时每个碳原子剩有一个垂直于石墨烯平面的p电子，未成对的p电子在与平面垂直的方向形成π轨道，可以在石墨烯晶体结构中自由移动，从而使得石墨烯具有良好的导电性能。 左图为高定向热解石墨(HOPG)； 右图为从HOPG 撕出来、置于厚度300 nm二氧化硅表面的石墨烯，左下角浅色三角形为单层石墨烯，其余为1 – 5 层不等。 石墨烯只有一个碳原子厚度，并且是己知材料中最薄的一种，然而却非常牢固坚硬，它比钻石还强硬，其强度比钢铁还高100倍。石墨烯也是目前己知导电性能最出色的材料。目前，一克石墨烯卖到5000元，超过黄金价格的15倍。 其电子的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。 超级电池是利用锂离子可在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性开发而成的。 SMCS的关键是其阴极和阳极有非常大的石墨烯表面。 工作原理 将锂金属置于阳极。首次放电时，锂金属发生离子化，通过电解液向阴极迁移。离子通过石墨烯表面的小孔，到达阴极。 现有的锂离子电池电极拥有很多微孔，微孔越多，其中嵌入的锂原子（或者离子）越多、电池容量越高。然而从正极锂离子脱出到在负极完成锂离子嵌入 （充满）到碳层的微孔中需要的时间也就越长。这也是目前大部分电池充电速度比较慢的原因。 普通锂电池 锂离子电池一般是使用锂合金金属氧化物为正极材料、石墨为负极材料、使用非水电解质的电池。 充电正极上发生的反应为 LiCoO2==Li(1-x)CoO2+XLi++Xe-(电子) 充电负极上发生的反应为 6C+XLi++Xe- = LixC6 充电电池总反应：LiCoO2+6C = Li(1-x)CoO2+LixC6 石墨烯表面锂离子交换电池 SMCS在两个电极，与液体 电解质直接接触的巨大石墨 表面，通过表面吸附和/或表 面氧化还原反应，能够迅速 并可逆地捕获锂离子。 在两个电极，与液体电解 质直接接触的巨大石墨表面 ，通过表面吸附和/或表面氧 化还原反应，能够迅速并可 逆地捕获锂离子 研究人员还发现一种能够轻松生产这种电池的方法，即采用标准DVD刻录机。 采用这项技术后， 能用便宜材料，在 不到30分钟的时间 里，在一个单一的 光盘上生产超过 100个微型超级电 容器。 在重量相同的情况下，仅以尚未优化的SMC替代锂离子电池，SMC或锂离子电池电动车的驾驶距离相同，但SMC的充电时间不到一分钟，而锂离子电池则需要数小时。研究人员相信，优化后SMC的性能会更好。 参考文献 1.前瞻产业研究 ．​《2013-2017年中国锂电池行业产销需求与投资预测分析报告》 ：前瞻产业研究院 ，2013 2.石墨烯表面驱动锂离子交换电池简介（ surface-enabled, lithium ion-exchanging cells）清华大学电动车辆研究室 朱家琏 3.Novoselooks，Geim AK，Morozovsv et a1．Tow—dimensional gas massless dirac  fermions ingraphene[J]Nature，2005，(438)：197-200． 4.锂离子交换电池_百度百科/link?url=SQQrqu95IO40jLB4ht7lnC4_V5I12VNJcV3iumQrwDAa2_ScdEr_m-Hi3wKnoII0OzZlSHTVmUmp3LIC1zdRCq