電池性能是最大瓶頸
眾所周知，電動(dòng)汽車因其清潔節(jié)能的特點(diǎn)而被視為汽車的未來(lái)發(fā)展方向，但電動(dòng)汽車的發(fā)展面臨的主要技術(shù)瓶頸就是電池技術(shù)。這主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是電池的能量?jī)?chǔ)存密度，指的是在一定的空間或質(zhì)量物質(zhì)中儲(chǔ)存能量的大小，要解決的是電動(dòng)車充一次電能跑多遠(yuǎn)的問(wèn)題。二是電池的充電性能。人們希望電動(dòng)車充電能像加油一樣，在幾分鐘內(nèi)就可以完成，但耗時(shí)問(wèn)題始終是電池技術(shù)難以逾越的障礙。動(dòng)輒數(shù)小時(shí)的充電時(shí)間，讓許多對(duì)電動(dòng)車感興趣的人望而卻步。因此，有人又將電動(dòng)車電池的充電性能稱為電動(dòng)車發(fā)展的真正瓶頸。
目前在電池技術(shù)上主要采用的是鋰電池和超級(jí)電容技術(shù)，鋰電池和超級(jí)電容各有長(zhǎng)短。鋰離子電池能量?jī)?chǔ)存密度高，為120瓦/公斤到150瓦/公斤，超級(jí)電容的能量?jī)?chǔ)存密度低，為5瓦/公斤。但鋰電池的功率密度低，為1千瓦/公斤，而超級(jí)電容的功率密度為10千瓦/公斤。目前大量的研究工作集中于提高鋰離子電池的功率密度或增加超級(jí)電容的能量?jī)?chǔ)存密度這兩個(gè)領(lǐng)域，但挑戰(zhàn)十分巨大。
新研究通過(guò)采用石墨烯這種神奇的材料，繞過(guò)了挑戰(zhàn)。石墨烯因具有如下特點(diǎn)成為新儲(chǔ)能設(shè)備的首選：它是目前已知導(dǎo)電性最高的材料，比銅高五倍；具有很強(qiáng)的散熱能力；密度低，比銅低四倍，重量更輕；表面面積是碳納米管兩倍時(shí)，強(qiáng)度超過(guò)鋼；超高的楊氏模量和最高的內(nèi)在強(qiáng)度；比表面積（即單位質(zhì)量物料所具有的總面積）高；不容易發(fā)生置換反應(yīng)。
使充電縮減為一分鐘
新儲(chǔ)能設(shè)備又稱為石墨烯表面鋰離子交換電池，或簡(jiǎn)稱為表面介導(dǎo)電池(surface-mediated cells,SMCS)，它集中了鋰電池和超級(jí)電容的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)兼具高功率密度和高能量?jī)?chǔ)存密度的特性。雖然目前的儲(chǔ)能設(shè)備尚未采用優(yōu)化的材料和結(jié)構(gòu)，但性能已經(jīng)超過(guò)了鋰離子電池和超級(jí)電容。新設(shè)備的功率密度（即電池能輸出最大的功率除以整個(gè)燃料電池系統(tǒng)的重量或體積）為100千瓦/公斤，比商業(yè)鋰離子電池高100倍，比超級(jí)電容高10倍。功率密度高，能量轉(zhuǎn)移率就高，充電時(shí)間就會(huì)縮短。此外，新電池的能量?jī)?chǔ)存密度為160瓦/公斤，與商業(yè)鋰離子電池相當(dāng)，比傳統(tǒng)超級(jí)電容高30倍。能量?jī)?chǔ)存密度越大，存儲(chǔ)的能量就越多。
SMC的關(guān)鍵是其陰極和陽(yáng)極有非常大的石墨烯表面。在制造電池時(shí)，研究人員將鋰金屬置于陽(yáng)極。首次放電時(shí)，鋰金屬發(fā)生離子化，通過(guò)電解液向陰極遷移。離子通過(guò)石墨烯表面的小孔，到達(dá)陰極。在充電過(guò)程中，由于石墨烯電極表面積很大，大量的鋰離子可以迅速?gòu)年帢O向陽(yáng)極遷移，形成高功率密度和高能量密度。研究人員解釋說(shuō)，鋰離子在多孔電極表面的交換可以消除嵌插過(guò)程所需的時(shí)間。在研究中，研究人員準(zhǔn)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(yōu)化設(shè)備的材料配置。下一步將重點(diǎn)研究電池的循環(huán)壽命。目前的研究表明，充電1000次后，可以保留95%容量；充電2000次后，尚未發(fā)現(xiàn)形成晶體結(jié)構(gòu)。研究人員還計(jì)劃探討鋰不同的存儲(chǔ)機(jī)制對(duì)設(shè)備性能的影響。
研究表明，在重量相同的情況下，僅以尚未優(yōu)化的SMC替代鋰離子電池，SMC或鋰離子電池電動(dòng)車的駕駛距離相同，但SMC的充電時(shí)間不到一分鐘，而鋰離子電池則需要數(shù)小時(shí)。研究人員相信，優(yōu)化后SMC的性能會(huì)更好。
如果今后電動(dòng)汽車廣為流行，充電站設(shè)置在加油站，其結(jié)果將會(huì)出現(xiàn)一幅十分有趣的情景，那就是電動(dòng)車的充電時(shí)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(dòng)汽車外，該設(shè)備還可用于再生能源儲(chǔ)存（如儲(chǔ)存太陽(yáng)能和風(fēng)能）和智能電網(wǎng)。
