石墨烯讓超級(jí)電容器成為現(xiàn)有電池的替代品

石墨烯讓超級(jí)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?；蛘呖紤]一下，如果給一輛電動(dòng)汽車加幾分鐘油，交通將會(huì)發(fā)生怎樣的變化。快速充電技術(shù)已經(jīng)在超級(jí)電容器領(lǐng)域存在了幾十年。
超級(jí)電容器的充電速度不僅比電池快，而且壽命更長(zhǎng)，因?yàn)樗鼈冊(cè)诔潆姾头烹娺^(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生損耗電池的物理?yè)p耗。
它們也有一些安全優(yōu)勢(shì)。然而，超級(jí)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(jí)電容器(有時(shí)也被稱為超級(jí)電容)的快速、可靠和潛在的更安全的電力存儲(chǔ)技術(shù)，可以更好地與電池競(jìng)爭(zhēng)。石墨烯讓超級(jí)電容器成為現(xiàn)有電池的替代品
電池安全問(wèn)題
任何在一個(gè)重要電話中電量不足的人，或者試圖讓一個(gè)玩玩具卡車卻突然熄火的孩子冷靜下來(lái)的人，都知道電池的極限。
電池充電時(shí)間長(zhǎng)，重量也相對(duì)較重，這對(duì)電動(dòng)汽車市場(chǎng)來(lái)說(shuō)是個(gè)大問(wèn)題，而且電池的安全性也常常成為一個(gè)問(wèn)題。
就在去年夏天，一家大型零售商不得不召回?cái)?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(shí)候涉及電池的火災(zāi)也幫助波音公司的新夢(mèng)幻客機(jī)暫時(shí)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(xiǎn)隱患，是促使人們對(duì)超級(jí)電容器重新產(chǎn)生興趣的原因之一?，F(xiàn)在超級(jí)電容器將茁壯成長(zhǎng),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(jí)電容器使用一種靜電來(lái)儲(chǔ)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(cè)，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(jí)電容器的空缺
石墨烯讓超級(jí)電容器成為現(xiàn)有電池的替代品
科學(xué)家們?cè)缇椭滥芰靠梢砸噪姾傻男问絻?chǔ)存，而不是像電池那樣以化學(xué)反應(yīng)物的形式儲(chǔ)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(gè)實(shí)驗(yàn)稱為“電池”(battery)。
但最近超級(jí)電容器材料的突破可能使它們?cè)诟鄳?yīng)用領(lǐng)域與電池競(jìng)爭(zhēng)。超級(jí)電容器的進(jìn)步速度比電池快得多。多年來(lái)，超級(jí)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(jí)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€(gè)小生意——主要是因?yàn)榕c傳統(tǒng)電池相比，它們存儲(chǔ)的能量相對(duì)較少。
在電池中，儲(chǔ)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(jí)電容器的能量密度與鋰離子電池相比相形見(jiàn)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(chǔ)的能量可能是超級(jí)電容器的20倍。另一方面，超級(jí)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(jí)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(jí)電容器來(lái)捕捉公交車剎車時(shí)產(chǎn)生的能量，然后釋放能量，幫助公交車從死點(diǎn)啟動(dòng)。為此，超級(jí)電容器可以完全替代混合動(dòng)力公交車上的電池，而全電動(dòng)公交車需要的電池更少。這可能是繼續(xù)銷售超級(jí)電容器的最佳方式，作為電池或燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的補(bǔ)充。
不過(guò)，在其他一些地方，超級(jí)電容器正在完全取代電池。風(fēng)力渦輪機(jī)就是一個(gè)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(jí)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(huì)磨損，因?yàn)樗鼈兊幕瘜W(xué)物質(zhì)會(huì)隨著時(shí)間失去效力。因?yàn)殡娙萜鞑灰蕾嚮瘜W(xué)物質(zhì)來(lái)儲(chǔ)存電能，所以它們的壽命要長(zhǎng)得多，這是渦輪機(jī)的一個(gè)重要因素。
一些歐洲汽車也使用類似于公交車的超級(jí)電容器。歐洲的“微型混合動(dòng)力”汽車通常在空轉(zhuǎn)時(shí)自動(dòng)熄火。這種“啟?！奔夹g(shù)通常只使用電池，但法國(guó)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(jí)電容器。
不過(guò)，電池繼續(xù)占據(jù)著微型混合動(dòng)力汽車市場(chǎng)的大部分份額，因?yàn)槌?jí)電容器和配套的電子產(chǎn)品可能會(huì)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(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，超級(jí)電容的成本更低，因?yàn)樗鼈儽入姵馗陀?，而且工作更可靠，可以?jié)省更多的燃料。
盡管如此，就微型混合動(dòng)力汽車而言，目前的初始購(gòu)買價(jià)格高于效率和長(zhǎng)期擁有成本。
需要克服障礙
石墨烯讓超級(jí)電容器成為現(xiàn)有電池的替代品
新材料可能有助于超級(jí)電容器在能量密度方面更好地競(jìng)爭(zhēng)。許多科學(xué)家都在關(guān)注石墨烯，這是一種只有一個(gè)原子厚度的碳，自從大約十年前被提煉出來(lái)以來(lái)，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(jí)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(jí)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(chǔ)存多少能量。但是可以堆疊數(shù)百甚至數(shù)千層的時(shí)候，能量就會(huì)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(jí)電容器也可能與電池協(xié)同工作。如果超級(jí)電容器最終能夠儲(chǔ)存足夠的能量，與電池競(jìng)爭(zhēng)，超級(jí)電容器就具有關(guān)鍵的優(yōu)勢(shì)，包括它們可以提供高功率，并可用于數(shù)百萬(wàn)次循環(huán)。而且，不像電池，它們不會(huì)充電過(guò)度，也不會(huì)過(guò)熱。
隨著便攜式能源需求的增長(zhǎng)，超級(jí)電容器的安全優(yōu)勢(shì)將會(huì)增強(qiáng)。電容器本身也表達(dá)了對(duì)安全的擔(dān)憂，因?yàn)槿魏蝺?chǔ)存能量的技術(shù)都有潛在的危險(xiǎn)。但他說(shuō)，制造商正在逐步淘汰超級(jí)電容器中使用的有毒和易燃化學(xué)品，甚至這些超級(jí)電容器的安全記錄也優(yōu)于鋰離子電池。
與此同時(shí)，隨著電池體積的增大，電池的安全性將成為一個(gè)更大的問(wèn)題，比如目前用于電動(dòng)汽車的電池。電池越大，就越有可能出問(wèn)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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