石墨烯讓超級電容器成為現(xiàn)有電池的替代品

石墨烯讓超級電容器成為現(xiàn)有電池的替代品

想象一下，給你的手機(jī)充電只需要幾秒鐘。或者考慮一下，如果給一輛電動汽車加幾分鐘油，交通將會發(fā)生怎樣的變化。快速充電技術(shù)已經(jīng)在超級電容器領(lǐng)域存在了幾十年。
超級電容器的充電速度不僅比電池快，而且壽命更長，因?yàn)樗鼈冊诔潆姾头烹娺^程中不會產(chǎn)生損耗電池的物理損耗。
它們也有一些安全優(yōu)勢。然而，超級電容器的超大尺寸——它們必須比電池大得多才能容納同樣的能量——以及超高的成本阻礙了它們的發(fā)展。
但一些科學(xué)家認(rèn)為，最近的突破使超級電容器(有時也被稱為超級電容)的快速、可靠和潛在的更安全的電力存儲技術(shù)，可以更好地與電池競爭。石墨烯讓超級電容器成為現(xiàn)有電池的替代品
電池安全問題
任何在一個重要電話中電量不足的人，或者試圖讓一個玩玩具卡車卻突然熄火的孩子冷靜下來的人，都知道電池的極限。
電池充電時間長，重量也相對較重，這對電動汽車市場來說是個大問題，而且電池的安全性也常常成為一個問題。
就在去年夏天，一家大型零售商不得不召回數(shù)千塊蘋果(Apple)生產(chǎn)的筆記本電腦更換電池。出于安全考慮，許多筆記本電腦和手機(jī)制造商都發(fā)現(xiàn)自己的電池被召回，而蘋果只是其中之一。
去年早些時候涉及電池的火災(zāi)也幫助波音公司的新夢幻客機(jī)暫時停飛。2010年，聯(lián)合包裹(UPS)的一架飛機(jī)在迪拜墜毀，兩名機(jī)組人員喪生。調(diào)查人員將這兩名機(jī)組人員與電池起火事故聯(lián)系在一起。電池使用中存在的危險隱患，是促使人們對超級電容器重新產(chǎn)生興趣的原因之一。現(xiàn)在超級電容器將茁壯成長,企業(yè)尋求新的、更健壯的電源,也比今天的電池更安全。
超級電容器使用一種靜電來儲存電能，而不是那些使電池難以管理的化學(xué)物質(zhì)。這意味著它們的性能更加可預(yù)測，它們的材料更加可靠，不易受溫度變化的影響，而且它們可以完全排放，以便更安全的運(yùn)輸。
超級電容器的空缺
石墨烯讓超級電容器成為現(xiàn)有電池的替代品
科學(xué)家們早就知道能量可以以電荷的形式儲存，而不是像電池那樣以化學(xué)反應(yīng)物的形式儲存。
本杰明·富蘭克林(Benjamin Franklin)用一排排萊登瓶(Leyden jars)進(jìn)行的著名實(shí)驗(yàn)，實(shí)際上是電容器的早期版本。他把這個實(shí)驗(yàn)稱為“電池”(battery)。
但最近超級電容器材料的突破可能使它們在更多應(yīng)用領(lǐng)域與電池競爭。超級電容器的進(jìn)步速度比電池快得多。多年來，超級電容器一直處于商業(yè)成功的邊緣。例如，1995年的一篇文章的標(biāo)題就暗示超級電容正在“迅猛發(fā)展”。但是，與可充電電池相比，它們?nèi)匀皇且粋€小生意——主要是因?yàn)榕c傳統(tǒng)電池相比，它們存儲的能量相對較少。
在電池中，儲存電荷被稱為“能量密度”，與“功率密度”或能量傳遞的速度有區(qū)別。超級電容器的能量密度與鋰離子電池相比相形見絀，而鋰離子電池目前通常用于手機(jī)和筆記本電腦。在一定的重量和尺寸下，鋰離子電池存儲的能量可能是超級電容器的20倍。另一方面，超級電容器在功率密度方面更勝一籌。它們擁有巨大的能量——它們可以快速充電，并在電流的快速爆發(fā)中釋放能量。
超級電容器制造商麥克斯韋技術(shù)公司(Maxwell Technologies)最大的銷售額流向了巴士制造商。操作人員使用超級電容器來捕捉公交車剎車時產(chǎn)生的能量，然后釋放能量，幫助公交車從死點(diǎn)啟動。為此，超級電容器可以完全替代混合動力公交車上的電池，而全電動公交車需要的電池更少。這可能是繼續(xù)銷售超級電容器的最佳方式，作為電池或燃料發(fā)動機(jī)的補(bǔ)充。
不過，在其他一些地方，超級電容器正在完全取代電池。風(fēng)力渦輪機(jī)就是一個例子，尤其是那些在海上難以到達(dá)的風(fēng)力渦輪機(jī)。例如，超級電容器可以提供在不斷變化的風(fēng)力條件下調(diào)整渦輪葉片所需的爆發(fā)力。
傳統(tǒng)上，電池已經(jīng)滿足了這一需求。但是電池會磨損，因?yàn)樗鼈兊幕瘜W(xué)物質(zhì)會隨著時間失去效力。因?yàn)殡娙萜鞑灰蕾嚮瘜W(xué)物質(zhì)來儲存電能，所以它們的壽命要長得多，這是渦輪機(jī)的一個重要因素。
一些歐洲汽車也使用類似于公交車的超級電容器。歐洲的“微型混合動力”汽車通常在空轉(zhuǎn)時自動熄火。這種“啟停”技術(shù)通常只使用電池，但法國汽車制造商PSA在雪鐵龍(Citroen)和標(biāo)致(Peugeot)的部分車型中使用了麥克斯韋超級電容器。
不過，電池繼續(xù)占據(jù)著微型混合動力汽車市場的大部分份額，因?yàn)槌夒娙萜骱团涮椎碾娮赢a(chǎn)品可能會給一輛汽車增加數(shù)百美元的成本。這項(xiàng)技術(shù)的支持者認(rèn)為，從長遠(yuǎn)來看，超級電容的成本更低，因?yàn)樗鼈儽入姵馗陀茫夜ぷ鞲煽浚梢怨?jié)省更多的燃料。
盡管如此，就微型混合動力汽車而言，目前的初始購買價格高于效率和長期擁有成本。
需要克服障礙
石墨烯讓超級電容器成為現(xiàn)有電池的替代品
新材料可能有助于超級電容器在能量密度方面更好地競爭。許多科學(xué)家都在關(guān)注石墨烯，這是一種只有一個原子厚度的碳，自從大約十年前被提煉出來以來，它已經(jīng)引起了人們的極大興趣。
石墨烯具有一種特性，使其特別有希望用于超級電容器：超大比表面積。這種高度多孔的石墨烯可以多層堆疊，而每層的兩側(cè)都可以接近。在實(shí)驗(yàn)中，這使得石墨烯超級電容器的能量密度增加了一倍或兩倍。一層碳原子并不能儲存多少能量。但是可以堆疊數(shù)百甚至數(shù)千層的時候，能量就會非常的巨大。
但是到目前為止，它們還不能替代電池。即便如此，超級電容器也可能與電池協(xié)同工作。如果超級電容器最終能夠儲存足夠的能量，與電池競爭，超級電容器就具有關(guān)鍵的優(yōu)勢，包括它們可以提供高功率，并可用于數(shù)百萬次循環(huán)。而且，不像電池，它們不會充電過度，也不會過熱。
隨著便攜式能源需求的增長，超級電容器的安全優(yōu)勢將會增強(qiáng)。電容器本身也表達(dá)了對安全的擔(dān)憂，因?yàn)槿魏蝺Υ婺芰康募夹g(shù)都有潛在的危險。但他說，制造商正在逐步淘汰超級電容器中使用的有毒和易燃化學(xué)品，甚至這些超級電容器的安全記錄也優(yōu)于鋰離子電池。
與此同時，隨著電池體積的增大，電池的安全性將成為一個更大的問題，比如目前用于電動汽車的電池。電池越大，就越有可能出問題。為手機(jī)等設(shè)備制造安全的電池比為汽車制造安全的電池更容易。

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