石墨+水(未来储能

石墨+水=未来电池两种普通材料的组合——“石墨+水”能制造能量存储系统，产生媲美锂离子电池的储能效果，并且在几秒钟内充满电，拥有几乎无限长的使用寿命。“石墨+水”储能的原理是利用电荷在全界面导电碳原子表面的有序堆积来实现电能的大量、超快速储存和释放，以“石墨+水”凝胶为基础的新型储电装置可以在几秒内充放电，拥有几乎无限次的循环寿命。一直以来，产业界都在寻找高效、可控的电能储备材料，要求其导电性能良好、物化性质稳定，能够让电荷在其微观结构上实现最大程度的有序堆积，用以制作超级材料，实现电能的高效储备及释放。目前认为纳米石墨（石墨烯）就是这种潜在的理想材料。蒙纳士大学材料工程系（MonashUniversityDepartmentofMaterialsEngineering）李旦博士和他的研究团队正在研究一种名叫石墨烯的材料，这种材料有可能成为下一代超快速能量存储系统的基础。李博士说：“一旦我们能恰当地操纵这种材料，那么像iPhone这样的设备可以在数秒钟或更短的时间内完成充电。”石墨烯是石墨剥离成一个原子厚度的产物。石墨价格低廉、随处可见，常用于铅笔芯中，这种形式的石墨具有卓越的特性。由于石墨烯强度高，具有化学稳定性，因此是绝佳的导电材料，它的另一个重要的特性就是表面积非常大。李博士说：“这些特性让石墨烯非常适合应用于能量存储系统。而目前石墨烯没有被大规模应用是因为这种材料非常薄，如果堆积到一起形成宏观结构时，会立即紧密连接在一起形成石墨。石墨烯重新堆积之后大部分表面将消失，不再具有石墨烯的特性。”现在，李博士和他的团队找到了使石墨薄片保持其非凡特性的方法：水。水可让石墨烯保持湿润——以凝胶的形式存在——让层与层之间产生排斥力，防止它们重新堆积。李博士表示：“我们使用的是两种基本的、不昂贵的材料——水和石墨，他们能让这种纳米材料拥有非常惊人的特性。这个技术非常简单，能够大规模应用。我们发现这一点时，觉得它不可思议。”目前，“石墨+水”储能需要攻克的关键技术是如何在不降低石墨烯物化性能的同时，将它高效有序的密集组装在一起，并且能够有效阻止石墨烯在加工过程中的二次堆叠。影响石墨烯广泛应用的关键问题是它的堆积结构。通常情况下，紧密堆积的石墨烯容易重新形成石墨，这样的话，将不再具有单片石墨烯独有的性能。李博士团队在工作中发现，石墨烯作为一种极其少见的二维凝聚态导电物质，在控制的条件下能够与水相互作用自行组装成微观纳米间隔而又宏观紧密堆积的三维凝胶结构，具有意想不到的性能，将会给电能储备技术带来突破性进展。应用到储能设备上时，无论是在电荷的储存量还是充电的速度方面，石墨烯凝胶能显著超越当前的碳基技术。目前以此材料构造的电储能装置所获能量密度已经相当于电动汽车中广泛使用的锂离子电池，所获功率密度百倍超过锂离子电池，以此为动力的电动汽车将有可能替代传统燃油动力汽车。新型储电材料是低碳经济，清洁能源产业发展的重点领域，对人类未来可持续发展意义深远，尤其是对中国这样一个石化能源进口大国，关系到国民经济发展的平稳与安全。中国碳材料产业发达，石墨矿藏储量丰富，但是其产业一直处于产业链的低端。“石墨+水”储能材料这一新技术将极大地提高现有石墨产业的附加值，改变电能储存产业现状，有望在消费电子、智能电网、动力机械及电动汽车领域获得广泛的应用。李博士认为这种新技术的发展前景不仅仅局限于消费电子产品，“高速、可靠、低成本的能量存储系统，是未来实现大规模应用可再生资源所产生的电能的关键，也是电动汽车大规模应用的关键。石墨烯凝胶同时显示出应用于水净化薄膜、生物医疗设备和传感器的潜力。”石墨烯每克卖600多美元投产后能降到10元更新：2013-04-2709:57:48作者：新闻中心来源：现代金报点击：178次【字号：大中小】中国储能网讯：全球首条石墨烯生产线今年将在宁波建成投产。记者昨天了解到，中科院宁波材料所与宁波墨西科技有限公司签约，双方联合组建“石墨烯制备与应用研发中心”。这是全球首条石墨烯生产线石墨烯量产技术是世界性难题，中科院宁波材料所的石墨烯量产技术在全球首先突破，宁波墨西科技有限公司将在今年建成全球第一条石墨烯生产线，第一期年产300吨。宁波墨西科技有限公司董事长陈为健告诉记者，目前，7个生产车间以及仓库已经封顶，年产300吨石墨烯微片生产线将于今年10月建成投产。“生产线第一期已基本建成，开始少量生产石墨烯产品，并免费提供给本地企业试用。预计到今年10月，这条生产线第一期将正式建成投产。”陈为健说，现在可以从国外少量进口单层石墨烯产品，但价格非常昂贵，每克要600多美元，折合人民币3000多元/克，价格是黄金的十多倍。这条300吨生产线建成后是生产石墨烯微片的，将成为全球首个量产的石墨烯生产线。到时候，可以将石墨烯生产成本降低到每克10元左右。根据中科院宁波材料所与宁波墨西科技有限公司签订的协议，后者将从2012年起连续5年为前者提供每年1000万元的研发经费。中科院宁波材料所有关负责人介绍，此次共建“石墨烯制备与应用研发中心”，将围绕石墨烯开展相关研发，提高产品质量和稳定性，扩展石墨烯应用领域，最终使该研发中心成为国内先进的技术研发基地。电瓶车10分钟就能充满电石墨烯是从石墨材料中剥离出来，是目前世界上最薄的材料。除了最薄，它还是世界上最硬、导电性最好、导热能力最强的新材料。“石墨烯是有限资源，不可再生，制备成本很高，非常昂贵，现在只停留在实验室里，大大限制了石墨烯产业化的发展。”中科院宁波材料所的专家说，“我们的研究，就是让其产业化，能成为大量供给的工业原料。”石墨烯与我们的生活有什么关系呢？比如，能让手机屏幕更薄，甚至折叠起来。“如果使用有石墨烯成分的原料来做手机屏幕，可以直接把屏幕折叠起来使用，透明性也很好。这就像电影《阿凡达》里的那个透明弯曲、悬浮着的虚拟显示屏。”比如，用在电池上。“现在，电瓶车充电往往要1～3个小时才能充满，如果使用石墨烯动力的锂电池，10分钟内就能完成，电池的性能、寿命也会大大提高。”该专家说。石墨烯的储能特性及其前景展望前言:能源和环境问题是目前人类亟需解决的两大问题。在化石能源日渐枯竭，环境污染日益严重，全球气候变暖的今天，寻求替代传统化石能源的可再生绿色能源，谋求人与环境的和谐显得尤为迫切。对于新型的、绿色、储能器件，在关切其绿色的同时，高功率密度，高能量密度则是其是否可以真正替代传统能量储运体系的重要指标。新型的电源体系，特别是二次电池或者超级电容器是目前重要的绿色储能装置，而其中核心部分是性能优异的储能材料。各种碳质材料，特别是sp2杂化的碳质材料，由于其特殊的层状结构或者超大的比表面积，成为重要的储能材料或者储能体系的电极材料。作为sp2杂化碳质材料的基元结构的单层石墨——石墨烯(graphene)，2004年被成功制备；独特的结构、真正的表面性固体(无孔表面碳原子比例为100%的超大表面材料)，使其成为下一代碳质电极材料的重要选择。结构研究：碳是自然界广泛存在的一种元素，具有多样性，特异性和广泛性的特点。碳元素可以sp、sp2、sp3三种杂化方式形成固体单质。而sp2杂化形成的碳质材料的基元结构是二维石墨烯片层。如图1所示，如果在六元环形成的石墨烯晶格结构中存在五元环的晶格,就会使石墨烯片层翘曲,当有12个以上五元环晶格存在时就会形成零维的富勒烯；碳纳米管可以看作是石墨烯沿一定角度卷曲形成的圆筒状一维材料；石墨烯片层相互作用、叠加，便形成了三维的体相石墨。而作为无定形的多孔碳质材料(活性炭活性炭纤维及炭气凝胶等)则是由富含缺陷的微晶石墨炭(厚度和尺度很小的三维石墨片层结构)相互作用形成。图1石墨烯的结构(左图)及由石墨烯为基本单元构筑的sp2杂化碳质材料(右图)石墨烯这种稳定的晶格结构使其具有异常优异的导电性。石墨烯的价带和导带(电子)相交于费米能级处，是能隙为零的半导体，在费米能级附近其载流子呈现线性的色散关系。石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子问作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯中电子受到的干扰也非常小。石墨烯是目前已知导电性能最出色的材料。石墨烯最大的特性是其中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。石墨烯特殊的结构使其具有完美的量子隧道效应、半整数的量子霍尔效应等一系列性质。石墨烯也具有良好的力学、光学和热学性质，具有突出的导热性能(3000W／(ITI·K))和力学性能(1060GPa)，以及室温下高速的电子迁移率(15000cm／(V·s))-l。石墨烯是真正的表面性固体，理想的单层石墨烯具有超大的比表面积，其理论比表面积高达2600m／g，而单层石墨烯的比表面积为2630m／g，大大超过目前应用于电化学双层电容器中的活性炭的比表面积。良好的导电性是其他大比表面积碳质材料很难具有的独特性质，预示着石墨烯很可能是性能极佳的电极材料；而良好的热导性质光学性质和力学强度，也预示着石墨烯材料可用于超薄型、超微型的电极材料和储能器件，而这样的储能元件可用于高密度的纳电子器件和高功率电池组中。3．石墨烯材料的制备石墨烯的主要制备方法有机械劈裂法口、外延晶体生长法、化学气相沉积法、氧化石墨的热膨胀和还原法。还有一些其他制备方法也陆续被开发出来，如气相等离子体生长技术、静电沉积法和高温高压合成法等。在上述制备石墨烯的工艺中，化学法制备以相对简单和低廉正受到越来越多的关注。化学法制备石墨烯主要采用氧化石墨、膨胀石墨或微粉石墨作为石墨源，其中以氧化石墨为源制备的石墨烯存在较多的含氧官能团和不可逆转的结构缺陷，极大地影响了石墨烯的电学性能，而以膨胀石墨或者微粉石墨为源制备的石墨烯，具有缺陷很少、导电率很好的特点。目前已能实现实验室大规模制备石墨烯，但工业化生产还需有个过渡阶段。大量的问题还需要研究，例如：如何低成本、大规模制备出期望结构的石墨烯，如何实现其微加工来完成对石墨烯大小、边缘和形状的控制，不同层结构的石墨烯性能如何等等，这些都是需要解决的关键性问题。另外，关于石墨烯的基本物理性能及展示独特优异性质的内在原理的研究也需要深入。4.石墨烯材料的应用石墨烯在超级电容器中的应用碳质材料是最早也是目前研究和应用得很广泛的超级电容器电极材料。用于超级电容器的碳质材料目前主要集中于活性炭(AC)、活性炭纤维(ACF)炭气凝胶、碳纳米管(CNTs)和模板炭等。这些sp2碳质材料的基元材料是石墨烯自石墨烯被成功制备出来后，人们开始探究其这种极限结构的sp2碳质材料在超级电容器里应用的可能性Ruoff小组利用化学改性的石墨烯作为电极材料，测试了基于石墨烯的超级电容器的性能。这种石墨烯材料的电容性能在水系和有机电解液中的比电容分别可以达到135F/g和99F/g。Rao等人比较了通过三种方法制备的石墨烯的电容性能。在硫酸电解液中，通过氧化石墨热膨胀法和纳米金刚石转化法得到的石墨烯具有较高的比电容，可以达到117F/g；在有机电解液中，电压为5V的时候，其比电容和比能量可以达到71F/g和31.9Wh/kg。石墨烯材料应用于超级电容器有其独特的优势。石墨烯是完全离散的单层石墨材料，其整个表面可以形成双电层；但是在形成宏观聚集体过程中，石墨烯片层之间互相杂乱叠加，会使得形成有效双电层的面积减少(一般化学法制备获得的石墨烯具有200-200m2/g)即使如此，石墨烯仍然可以获得100~230F/g的比电容如果其表面可以完全释放，将获得远高于多孔炭的比电容在石墨烯片层叠加，形成宏观体的过程中，形成的孔隙集中在100nm以上，有利于电解液的扩散，因此基于石墨烯的超级电容器具有良好的功率特性。石墨烯在锂离子电池中的应用对锂离子电池负极材料的研究，主要集中在碳质材料、合金材料和复合材料等方面。碳质材料是最早为人们所研究并应用于锂离子电池商品化的材料，至今仍是大家关注和研究的重点之一。碳质材料根据其结构特点可分成可石墨化炭(软炭)无定形炭(硬炭)和石墨类目前对碳负极的研究主要是采用各种手段对其表面进行改性，但是对人造石墨再