美国研发锂离子交换电池 电动车充电仅一分钟

一种似乎与电池无关的物质已经成为突破电池技术瓶颈的关键。美国俄亥俄州Nanotek仪器公司的研究人员开发了一种新型储能装置，利用锂离子在石墨烯表面和电极之间的快速大规模穿梭运动，可以将充电时间从几个小时缩短到不到一分钟。这项研究发表在最近出版的《纳米快报》上。电池充电性能已经成为电动汽车发展的最大挑战。

众所周知，电动汽车因其清洁节能的特点被认为是未来汽车的发展方向，但电动汽车发展面临的主要技术瓶颈是电池技术。这主要表现在以下几个方面:第一，电池的储能密度是指储存在一定空间或质量物质中的能量大小，要解决的问题是电动汽车在充电后能跑多远。第二是电池的充电性能。人们希望电动汽车充电能像加油一样在几分钟内完成，但耗时的问题一直是电池技术不可逾越的障碍。许多对电动汽车感兴趣的人被几个小时的频繁充电时间吓住了。因此，有人称电动汽车电池的充电性能是电动汽车发展的真正瓶颈。

目前，锂电池和超级电容器主要用于电池技术。锂电池和超级电容器有不同的长度。锂离子电池的高储能密度为120瓦/千克至150瓦/千克，而超级电容器的低储能密度为5W/千克。然而，锂电池的功率密度很低，为1千瓦/千克，而超级电容器的功率密度为10千瓦/千克。目前，大量的研究工作集中在提高锂离子电池的功率密度或提高超级电容器的储能密度上，但挑战非常大。

这项新的研究通过使用石墨烯这种神奇的材料避开了挑战。石墨烯因其以下特点成为新型储能器件的首选:它是目前已知的电导率最高的材料，比铜高五倍；散热能力强；密度低，比铜低四倍，重量更轻；当表面积是碳纳米管的两倍时，强度超过钢。超高杨氏模量和最高固有强度；比表面积(即单位质量材料的总面积)高；置换反应不容易发生。

新设备使电动汽车在不到一分钟内充满电

这种新型储能装置也简称为石墨烯表面锂离子交换电池或表面介电电池(SMCS)。它结合了锂电池和超级电容器的优点，具有高功率密度和高储能密度的特点。虽然目前的储能设备尚未采用优化的材料和结构，但其性能已经超过锂离子电池和超级电容器。新设备的功率密度(即电池输出的最大功率除以整个燃料电池系统的重量或体积)为100千瓦/千克，比商用锂离子电池高100倍，比超级电容器高10倍。高功率密度导致高能量传输速率和缩短充电时间。此外，新电池的储能密度为160瓦/千克，相当于商用锂离子电池，比传统超级电容器高30倍。能量储存密度越大，储存的能量就越多。

SMC的关键是其阴极和阳极都有非常大的石墨烯表面。制造电池时，研究人员将锂金属放在阳极上。首次放电时，锂金属电离并通过电解质迁移到阴极。离子通过石墨烯表面的孔隙到达阴极。在充电过程中，由于石墨烯电极的大表面积，大量锂离子可以从阴极快速迁移到阳极，形成高功率密度和高能量密度。研究人员解释说，锂离子在多孔电极表面的交换可以消除插层过程所需的时间。在研究中，研究人员制备了氧化石墨烯、单层石墨烯和多层石墨烯等不同类型的石墨烯材料，以优化设备的材料配置。下一步将关注电池的循环寿命。目前的研究表明，充电1000次后，可以保留95%的容量。2000次充电后没有发现晶体结构。研究人员还计划探索不同的锂储存机制对设备性能的影响。

研究表明，在同等重量的条件下，只有未经优化的贴片电池才能替代锂离子电池。SMC或锂离子电池电动车的行驶距离相同，但SMC充电不到一分钟，而锂离子电池需要几个小时。研究人员认为，优化后的表面贴装芯片将具有更好的性能。

如果电动汽车在未来广泛流行，充电站设在加油站，结果将是一个非常有趣的场景，即电动汽车将比汽油充电更快，更便宜。研究人员表示，除了电动汽车，该设备还可以用于可再生能源储存(如太阳能和风能储存)和智能电网。