石墨烯充電寶發(fā)明 十多分鐘充滿5000mAh電池，了解石墨烯電池新技術(shù)

　　石墨烯（Graphene）是一種由碳原子以sp2雜化方式形成的蜂窩狀平面薄膜，是一種只有一個原子層厚度的準(zhǔn)二維材料，所以又叫做單原子層石墨。英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，用微機(jī)械剝離法成功從石墨中分離出石墨烯，因此共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎。石墨烯常見的粉體生產(chǎn)的方法為機(jī)械剝離法、氧化還原法、SiC外延生長法，薄膜生產(chǎn)方法為化學(xué)氣相沉積法（CVD）。由于其十分良好的強(qiáng)度、柔韌、導(dǎo)電、導(dǎo)熱、光學(xué)特性，在物理學(xué)、材料學(xué)、電子信息、計(jì)算機(jī)、航空航天等領(lǐng)域都得到了長足的發(fā)展。作為目前發(fā)現(xiàn)的最薄、強(qiáng)度最大、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強(qiáng)的一種新型納米材料，石墨烯被稱為“黑金”，是“新材料之王”，科學(xué)家甚至預(yù)言石墨烯將“徹底改變21世紀(jì)”。極有可能掀起一場席卷全球的顛覆性新技術(shù)新產(chǎn)業(yè)革命。

　　美國俄亥俄州的Nanotek儀器公司利用鋰離子在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運(yùn)動的特性，開發(fā)出一種新的電池。這種新的電池可把數(shù)小時的充電時間壓縮至短短不到一分鐘。分析人士認(rèn)為，未來一分鐘快充石墨烯電池實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化后，將帶來電池產(chǎn)業(yè)的變革，從而也促使新能源汽車產(chǎn)業(yè)的革新。新型石墨烯電池實(shí)驗(yàn)階段的成功，無疑將成為電池產(chǎn)業(yè)的一個新的發(fā)展點(diǎn)。電池技術(shù)是電動汽車大力推廣和發(fā)展的最大門檻，而目前的電池產(chǎn)業(yè)正處于鉛酸電池和傳統(tǒng)鋰電池發(fā)展均遇瓶頸的階段，石墨烯儲能設(shè)備的研制成功后，若能批量生產(chǎn)，則將為電池產(chǎn)業(yè)乃至電動車產(chǎn)業(yè)帶來新的變革。［1］ 由于其獨(dú)有的特性，石墨烯被稱為“神奇材料”，科學(xué)家甚至預(yù)言其將“徹底改變21世紀(jì)”。曼徹斯特大學(xué)副校長Colin Bailey教授稱：“石墨烯有可能徹底改變數(shù)量龐大的各種應(yīng)用，從智能手機(jī)和超高速寬帶到藥物輸送和計(jì)算機(jī)芯片?！弊罱绹又荽髮W(xué)洛杉磯分校的研究人員就開發(fā)出一種以石墨烯為基礎(chǔ)的微型超級電容器，該電容器不僅外形小巧，而且充電速度為普通電池的1000倍，可以在數(shù)秒內(nèi)為手機(jī)甚至汽車充電，同時可用于制造體積較小的器件。石墨烯電池微型石墨烯超級電容技術(shù)突破可以說是給電池帶來了革命性發(fā)展。目前主要制造微型電容器的方法是平板印刷技術(shù)，需要投入大量的人力和成本，阻礙了產(chǎn)品的商業(yè)應(yīng)用。而現(xiàn)在只需要常見的DVD刻錄機(jī)，甚至是在家里，利用廉價材料30分鐘就可以在一個光盤上制造100多個微型石墨烯超級電容。正是看到了石墨烯的應(yīng)用前景，許多國家紛紛建立石墨烯相關(guān)技術(shù)研發(fā)中心，嘗試使用石墨烯商業(yè)化，進(jìn)而在工業(yè)、技術(shù)和電子相關(guān)領(lǐng)域獲得潛在的應(yīng)用專利。歐盟委員會將石墨烯作為“未來新興旗艦技術(shù)項(xiàng)目”，設(shè)立專項(xiàng)研發(fā)計(jì)劃，未來10年內(nèi)撥出10億歐元經(jīng)費(fèi)。英國政府也投資建立國家石墨烯研究所（NGI），力圖使這種材料在未來幾十年里可以從實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入生產(chǎn)線和市場。中國在石墨烯研究上也具有獨(dú)特的優(yōu)勢，從生產(chǎn)角度看，作為石墨烯生產(chǎn)原料的石墨，在我國儲能豐富，價格低廉。另外，批量化生產(chǎn)和大尺寸生產(chǎn)是阻礙石墨烯大規(guī)模商用的最主要因素。利用化學(xué)氣相沉積法成功制造出了國內(nèi)首片15英寸的單層石墨烯，并成功地將石墨烯透明電極應(yīng)用于電阻觸摸屏上，制備出了7英寸石墨烯觸摸屏。中科院重慶綠色智能技術(shù)研究院的研究人員在展示單層石墨烯產(chǎn)品的超強(qiáng)透光性和柔性。由于石墨烯擁有超乎想像的導(dǎo)電能力，石墨烯電池概念成為突破目前電池技術(shù)瓶頸的救命稻草。尤其國內(nèi)電動汽車行業(yè)但凡有技術(shù)突破都與石墨烯電池掛鉤。［2］ 隨著研究的不斷深入，技術(shù)難題的接連攻克，應(yīng)用范圍也在不斷拓寬，相信石墨烯器件時代已為期不遠(yuǎn)，現(xiàn)在也可以期待一下這一“21世紀(jì)的神奇材料”會帶來怎樣的驚喜。［3］ “石墨烯電池或?qū)⒁I(lǐng)改革：充電10分鐘跑1000公里”［4］ 報(bào)道：西班牙Graphenano公司（一家以工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)石墨烯的公司）同西班牙科爾瓦多大學(xué)合作研究出首例石墨烯聚合材料電池，其儲電量是目前市場最好產(chǎn)品的三倍，用此電池提供電力的電動車最多能行駛1000公里，而其充電時間不到8分鐘。雖然此電池具有各種優(yōu)良的性能，但其成本并不高。Graphenano公司相關(guān)負(fù)責(zé)人稱，此電池的成本將比鋰電池低77%，完全在消費(fèi)者承受范圍之內(nèi)。此外，在汽車燃料電池等領(lǐng)域，石墨烯還有望帶來革命性進(jìn)步。2016年12月，根據(jù)華為中央研究院瓦特實(shí)驗(yàn)室最新發(fā)布的消息稱，華為已經(jīng)在鋰離子電池領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)重大研究突破，將會推出業(yè)界首個高溫長壽命石墨烯基鋰離子電池。主要特色是借助新型耐高溫技術(shù)，可以將鋰離子電池上限使用溫度提高10℃，而使用壽命則是普通鋰離子電池的2倍。此外，華為官方人士還表示華為快充電池已經(jīng)商用，并將在本月底推出的超級快充手機(jī)。華為石墨烯基電池的突破主要來自三個方面，首先是在電解液中加入特殊添加劑，除去痕量水，避免電解液的高溫分解，其次，電池正極選用改性的大單晶三元材料，提高材料的熱穩(wěn)定性；此外，由于采用新型材料石墨烯，可實(shí)現(xiàn)鋰離子電池與環(huán)境間的高效散熱 。

　　原理編輯石墨烯電池利用環(huán)境熱量自行充電的試驗(yàn)。石墨烯電池在飽和氯化銅溶液中，時間（小時、天數(shù)）和產(chǎn)生電壓的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)制成電路其中包含LED，用電線連接到帶狀石墨烯。他們只是把石墨烯放在氯化銅（copper chloride）溶液中，進(jìn)行觀察。LED燈亮了。實(shí)際上，他們需要6個石墨烯電路，形成串聯(lián)，這樣就可產(chǎn)生所需的2V，使LED燈發(fā)亮，就可以得到這個圖片。徐子涵和同事說，這里發(fā)生情況就是銅離子具有雙重正電荷，穿過溶液的速度約每秒300米，因?yàn)槿芤涸谑覝叵碌臒崮芰?。?dāng)離子猛烈撞入石墨烯帶時，碰撞會產(chǎn)生足夠的能量，使不在原位的電子離開石墨烯。電子有兩種選擇：可以離開石墨烯帶，和銅離子結(jié)合，也可以穿過石墨烯，進(jìn)入電路。原來，流動的電子在石墨烯中更快，超過它穿過溶液的速度，所以電子自然會選擇路徑，穿過電路。正是這一點(diǎn)點(diǎn)亮了LED燈“釋放的電子更傾向于穿過石墨烯表面，而不是進(jìn)入電解液。設(shè)備就是這樣產(chǎn)生電壓的，”徐子涵說。因此，這個裝置產(chǎn)生的能量來自周圍環(huán)境的熱量。他們可以提高電流，只需加熱溶液，也可用超聲波加快銅離子。只依靠周圍熱量，就可以使他們的石墨烯電池持續(xù)運(yùn)行20天。但是，還有一個重要的問號。另一個假設(shè)是某種化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電流，就像普通的電池。然而，徐子涵和同事說，他們排除了這一點(diǎn)，因?yàn)檫M(jìn)行了幾組控制實(shí)驗(yàn)。然而，這些是在一些補(bǔ)充材料中介紹的，他們似乎并沒有放在arXiv網(wǎng)站上。他們需要趕在別人做出嚴(yán)肅聲明之前公開。從表面價值來看，這看起來是一項(xiàng)非常重要的成果。其他人也在石墨烯中產(chǎn)生過電流，但只是讓水流過它，所以這并不真的使人吃驚，移動的離子也可以產(chǎn)生這樣的效果。這預(yù)示著清潔的綠色電池，只依靠環(huán)境熱量驅(qū)動。徐子涵和同事說：“這代表著一個巨大的突破，研究的是自驅(qū)動技術(shù)”。

　　2017環(huán)球資源電子展開展期間，東旭光電與倍斯特聯(lián)合發(fā)布了石墨烯基鋰離子電池“烯王二代”。

　　據(jù)悉，這款石墨烯電池在產(chǎn)品性能方面具備15分鐘充滿5000mAh的效率，電池上限使用環(huán)境對比上代產(chǎn)品提高10度，允許在-30度至80度環(huán)境下工作。

　　電池還使用了二代專用適配器，輸出支持5V/5A、9V/5A、15V/5A、16V/4.6A，功率最高80W，同時采用Type-C接口配套快充，支持QC3.0、QC2.0及FCP快充協(xié)議，兼容性更好。

　　外觀設(shè)計(jì)方面，“烯王二代”采用磨砂+亮面設(shè)計(jì)，還可以變形為護(hù)眼LED燈，能續(xù)航60小時，另外還擁有OLED顯示屏用來顯示電量與輸入輸出電流電壓。

　　據(jù)悉，這款石墨烯充電寶可以為筆記本、平板電腦、手機(jī)等電子設(shè)備充電，同時也可以拓展為無人機(jī)、電動車、醫(yī)療設(shè)備充電，應(yīng)用場景廣泛。