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石墨烯超級電池是什麼,你真的知道嗎?

来源:寶鄂實业    2019-03-18 22:29    點擊量:

筆者此前曾說過:電动汽車電池代替燃油汽車这一國策要實現,“則看智能電动汽車發展所需的智能控制系統技術、高密儲能電池技術和輕量化技術的進展了”。

  對于智能控制系統技術,由于互聯網大伽的紛紛加入突飛猛進,天天網上都有自动駕駛電动車電池的新報導。對于輕量化技術,由于航空工业和高鐵工业也需要此技術,輕量化技術也日新月異。看来拖後腿的就是高密儲能電池技術了。

  近日有報導,中科院上海矽酸鹽所研制出高性能超級電容器,暫且放開不懂技術的記者“充7秒鐘續航35公里”的故弄玄虛,但其能量密度达41wh/kg (基于活性物質为63wh/kg),比現生産的超級電容器5-7wh/kg,确實是一個很大的進步,值得稱贊!但是,如發條橙子所問:《中科院石墨烯電池新材料真能帶飛電动車産业?》,这則是不少业内人士所關心的問題。

  这位記者提出的疑問歸納起来有:

  1、生産的成本問題;

  2、制備工藝工业化的可行性,特别是氮化工藝的環境影響問題;

  3、能量密度離電动汽車的要求還差得太遠,如何解決的問題。

一、成本問題

  用SiO2模闆,然後采用CVD工藝用CH4做碳氮源,長出石墨烯材料,再用氫氟酸腐蝕掉模闆,得到三維石墨烯塊材料的工藝,确實其成本太高工业化生産難以接受。能否采用其它已有的成熟工藝降低成本呢?

  本人認为,是有可能的。例如:采用溶膠凝膠法用石墨烯微片低成本地制備石墨烯氣凝膠三維塊。衆多的研究文獻已公開了这方面的技術,浙江大学高超教授研究的三維石墨烯氣凝膠制備技術則是这類技術的榜樣。發條橙子的文章中也指出:“3D石墨烯泡沫具有很大的比表面積,以及相應帶来的良好的三維導電網絡,用这樣的集流體會給材料的性能帶来很多加成,在这方面中科院金屬所成會明院士組有不少工作可以參考。”

  但是,采用溶膠凝膠法實現低成本的關鍵,是如何低成本地制備石墨烯微片。

  現廣泛采用化学液相機械剝離法制備二維的氧化态石墨烯微片成本高,還存在使用化学材料對環境影響大、需将石墨烯還原處理工藝長導電性下降、二維微片易粘結成團等等問題。一種物理液相機械剝離法制備本征還原态三維石墨烯微片技術,制備成本低,對環境友好,为三維石墨烯電極塊用溶膠凝膠法低成本的制備創造了條件。

 二、氮化處理對環境的影響問題

  若工业化生産中采用實验室中常用的濃硝酸處理氮化工藝,确實環評很困難通過。

  在某國家級産业中心工程中,已使用了一種簡單、低成本地解決氮氧化物污染的技術。後巴斯夫为獲得此技術和其它關鍵技術收購了此公司至今也已十多年,生産線還在正常生産。若中科院上海矽酸鹽所的超級電容器工业化時采用此淨化工藝即可解決對環境影響的問題。

  三、能量密度問題

  能量密度是超級電容器的“死穴”。为提高超級電容器的能量密度,國内外都投入了大量的资金和人力在研究。但是,國内外研究的路線,基本是研究新型電極材料以提高電極的比容量,或研究于電極表面産生化学反應的複合型電極,中科院上海矽酸鹽所的超級電容器公開之前,超級電容器的能量密度問題還沒見突破性進展。

  通常超級電容器的碳電極的比容量小于250法拉/克,目前已知最高比容量的材料为氧化钌,其比容量为900法拉/克。但氧化钌的价格太貴,工业生産中不可能應用。黃富強研究員等采用氮化技術将石墨烯電極的比容量提高至855法拉/克,是目前已報導的高比容量材料的最高水平,这是難能可貴的。

  衆所周知,提高超級電容器的工作電壓即可提高電容器的能量密度,因为電容器的儲能量與電容器的工作電壓的平方成正比。

  超級電容器用電解液主要采用水系電解液。水系電解液工作電壓一般不超過1V,但與有機電解液相比,水系電解液的導電性較好(如H2SO4溶液可达0.8S/cm),价格較低,而且比較環保。

  提高超級電容器的工作電壓的研究,國内外都集中于研究新型高電壓工作的電解液。采用有機電解液能提高超級電容器的工作電壓(2.3-2.7V),可用于3V的離子液體電解液也有報導,但是也因制備成本高,工业化生産也難以接受。

  還有什麼辦法可提高超級電容器的工作電壓呢?從電極結構改進提出的極化膜超級電容器,将有可能解決这一問題。

  超級電容器是建立在雙電層理論基礎之上的非法拉第電容器。雙電層理論19 世紀由Helmhotz 等提出。Helmhotz 模型認为電極表面的靜電荷從溶液中吸附離子,它們在電極/ 溶液界面的溶液一側離電極一定距離排成一排,形成一個電荷數量與電極表面剩餘電荷數量相等而符号相反的對壘界面層。

  为什麼電極與電解液接觸的表面不發生正負電的中和呢?至今還沒見任何文獻解釋此問題。

Helmhotz雙電層理論提出至今已一百多年了,更精密的實验儀器出現,你可從電泳實验中觀察到,正負電荷/離子于電極、電解液界面上對壘時,接近電極的電解液層中有一電中性層出現。本人認为正是電解液中與電極接觸的液膜發生極化産生了電中性層,阻止了正負電荷中和。當超級電容器的工作電壓高于電解液的電解電壓致電解液分解時,極化膜被破壞,将導致超級電容器損壞,因此超級電容器的工作電壓受制于電解液的溶劑的分解電壓。

  基于这一分析,如果于電極表面預先制備一層固态可極化材料的薄膜作極化膜,在直流電場的作用下,極化膜被極化。極化膜阻止了電極與電解液中的正、負電子的交換,電解液中的離子于極化膜表面仍與電極上的電子對壘儲能。因電容器的總電阻由正電極電阻/正極極化膜電阻/電解液電阻/負極極化膜電阻/負電極電阻串聯組成,電容器的工作電壓将分别由各個分電阻按電阻值比例承擔。又因極化膜的電阻遠遠大于電解液的電阻,極化膜将會承擔遠遠大于電解液分電壓的電壓。若電解液仍承擔1V的電壓,電容器則可使用較高的電壓工作成为高工作電壓的電容器,隻需控制極化膜的分電壓低于其擊穿電壓即可。

  固态極化膜的工作電壓达到3V甚至10V将是非常容易的事,你可知,美國EEStor的高介電常數薄膜電容器的介電膜工作電壓已达到了3500V。極化膜超級電容器的出現将會改變儲能器的遊戲規則。

  超級電容器與股票配资世界相比其优點已衆所周知,如果将中科院上海矽酸鹽所的41wh/kg超級電容器技術與極化膜超級電容器技術相結合,工作電壓由現在有1V提高至3-10V,能量密度則可提高9-100倍。在此高能超級電容器面前,您還會選擇锂電池嗎?

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