表面介导电池可使电动汽车充电时间仅需几分钟

比较超级电容器和电池，如图所示的表面介导电池有三种不同的电极厚度，既有高功率密度，也有高能量密度。来源：美国化学学会

从哪方面看，它都像是一项电池技术的突破，只是它不是电池。纳米技术仪器股份有限公司（NanotekInstruments,Inc.）及其附属公司，俄亥俄州（Ohio）代顿（Dayton）的安格斯特朗材料股份有限公司（AngstronMaterials,Inc.）的研究人员，开发出一种新规范，用于设计储能设备，这种设备依赖于使大量锂离子快速穿梭在电极之间，这种电极具有很大的石墨烯表面。这种能量存储装置可以证明对电动汽车非常有用，它可以减少充电时间，从数小时缩短到不到一分钟。其他应用可能包括可再生能源储存（例如，储存太阳能和风能）和智能电网。

研究人员称，这种新设备是石墨烯表面功能的锂离子交换电池，或更简单地说，是表面介导电池（SMCS：surface-mediatedcells）。虽然目前的设备使用未优化的材料和结构，但是，它们已经可以超越锂离子电池和超级电容器。这种新设备可以供应每公斤电池100千瓦的功率密度，比商业化锂离子电池高100倍，比超级电容器高10倍。功率密度越高，能量转移速度越快（会导致更快的充电速度）。此外，这种新电池可以储存的能量密度为每公斤电池160瓦时，可媲美商业化锂离子电池，比传统超级电容器高30倍。能量密度越大，相同体积的设备可以存储的能量越多（带来电动汽车更长的行驶里程）。

假如有相同的设备重量，目前的表面介导电池和锂离子电池可以为电动汽车供应类似的行驶里程，纳米仪器公司和安格斯特朗材料公司联合创始人姜鲍尔兹（BorZ.Jang）说，我们的表面介导电池就像目前的锂离子电池相同，可进一步提高能量密度，因此同样可以提高行程。然而，在原则上，表面介导电池可以在几分钟内充电（可能不到一分钟），而不是数小时，就像目前电动汽车使用的锂离子电池那样。

姜鲍尔兹和他在纳米技术仪器公司和安格斯特朗材料公司的合作者，已经发表了这项研究，就是对下一代能量存储设备的研究，就发表在最近一期的《纳米快报》（NanoLetters）上。两家公司都专门从事纳米材料的商业化，安格斯特朗公司是世界上最大的纳米石墨烯片晶（NGPs：nanographeneplatelets）生产商。

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正如研究人员在他们的研究中解释说，在能量存储上，电池和超级电容器都有各自的长处和弱点。虽然锂离子电池的能量密度（120-150瓦时/公斤电池）比超级电容器（5瓦时/公斤电池）高得多，但是，这种电池具有低得多的功率密度（1千瓦/公斤电池，比较10千瓦/公斤电池）。许多研究小组做出努力，以新增锂离子电池的功率密度，提高超级电容器的能量密度，但是，这两个领域仍然具有重大的挑战。因为供应了一个全新的框架，可用于储能装置，所以，这种表面介导电池使研究人员能够绕过这些挑战。

开发这种新的储能装置，缩小了锂离子电池和超级电容器性能上的差距，姜鲍尔兹说。更重要的是，这一根本上新的框架，用于制造储能装置，使研究人员既可以实现高能量密度，也可以实现高功率密度，而不必牺牲一个来换取另一个。

表面介导电池电极有很大表面积，使大量离子在电极之间快速穿梭，带来快速的充电时间。来源：美国化学学会

表面介导电池性能的关键，是阴极和阳极都包含非常大的石墨烯表面。在制造电池时，研究人员把锂金属（以粒子或金属箔的形式）放在阳极。在首次放电周期，锂被离子化，带来的锂离子数量，比在锂离子电池中要大得多。在电池被使用时，这些离子通过液体电解质迁移到阴极，进入阴极中的孔穴，到达阴极内很大的石墨烯表面。在充电过程中，大量的锂离子通量迅速从阴极迁移到阳极。很大的电极表面积，使大量离子在电极之间快速穿梭，出现很高的功率和能量密度。

研究人员解释说，多孔电极表面（而不是在块状电极中，就像电池中那样）之间的锂离子交换，完全不要耗时的插层过程。在这个过程中，锂离子必须插入电极之间，这就构成了重要的电池充电时间。

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在这项研究中，虽然研究人员采用大量不同类型的石墨，制备了不同类型的石墨烯（氧化的，降低的单层和多层石墨烯），但是，要进一步分析这些材料和配置，以优化这种设备。一方面，研究人员计划进一步研究这种电池的循环寿命。到目前为止，他们发现，这些设备在经过1000次循环后，可以保留95％的容量，甚至在2000次循环后，仍然没有表现出枝蔓晶（dendrite）形成的迹象。研究人员还计划探讨，不同的锂存储机制对设备性能的相对用途。

我们估计，表面介导电池技术的商业化不会有什么大的障碍，姜鲍尔兹说。虽然目前石墨烯是高价出售，但是，安格斯特朗材料公司正在积极扩大石墨烯生产量力。预计在未来1-3年，石墨的生产成本将显着降低。