石墨烯让超级电容器成为现有电池的替代品_一点汽车网


石墨烯让超级电容器成为现有电池的替代品



  
2019-04-13         石墨烯资讯        

想象一下,给你的手机充电只需要几秒钟。或者考虑一下,如果给一辆电动汽车加几分钟油,交通将会发生怎样的变化。快速充电技术已经在超级电容器领域存在了几十年。


超级电容器的充电速度不仅比电池快,而且寿命更长,因为它们在充电和放电过程中不会产生损耗电池的物理损耗。


它们也有一些安全优势。然而,超级电容器的超大尺寸——它们必须比电池大得多才能容纳同样的能量——以及超高的成本阻碍了它们的发展。


但一些科学家认为,最近的突破使超级电容器(有时也被称为超级电容)的快速、可靠和潜在的更安全的电力存储技术,可以更好地与电池竞争。

石墨烯让超级电容器成为现有电池的替代品

电池安全问题


任何在一个重要电话中电量不足的人,或者试图让一个玩玩具卡车却突然熄火的孩子冷静下来的人,都知道电池的极限。


电池充电时间长,重量也相对较重,这对电动汽车市场来说是个大问题,而且电池的安全性也常常成为一个问题。


就在去年夏天,一家大型零售商不得不召回数千块苹果(Apple)生产的笔记本电脑更换电池。出于安全考虑,许多笔记本电脑和手机制造商都发现自己的电池被召回,而苹果只是其中之一。


去年早些时候涉及电池的火灾也帮助波音公司的新梦幻客机暂时停飞。2010年,联合包裹(UPS)的一架飞机在迪拜坠毁,两名机组人员丧生。调查人员将这两名机组人员与电池起火事故联系在一起。电池使用中存在的危险隐患,是促使人们对超级电容器重新产生兴趣的原因之一。现在超级电容器将茁壮成长,企业寻求新的、更健壮的电源,也比今天的电池更安全。


超级电容器使用一种静电来储存电能,而不是那些使电池难以管理的化学物质。这意味着它们的性能更加可预测,它们的材料更加可靠,不易受温度变化的影响,而且它们可以完全排放,以便更安全的运输。


超级电容器的空缺

石墨烯让超级电容器成为现有电池的替代品

科学家们早就知道能量可以以电荷的形式储存,而不是像电池那样以化学反应物的形式储存。


本杰明·富兰克林(Benjamin Franklin)用一排排莱登瓶(Leyden jars)进行的著名实验,实际上是电容器的早期版本。他把这个实验称为“电池”(battery)。


但最近超级电容器材料的突破可能使它们在更多应用领域与电池竞争。超级电容器的进步速度比电池快得多。多年来,超级电容器一直处于商业成功的边缘。例如,1995年的一篇文章的标题就暗示超级电容正在“迅猛发展”。但是,与可充电电池相比,它们仍然是一个小生意——主要是因为与传统电池相比,它们存储的能量相对较少。


在电池中,储存电荷被称为“能量密度”,与“功率密度”或能量传递的速度有区别。超级电容器的能量密度与锂离子电池相比相形见绌,而锂离子电池目前通常用于手机和笔记本电脑。在一定的重量和尺寸下,锂离子电池存储的能量可能是超级电容器的20倍。另一方面,超级电容器在功率密度方面更胜一筹。它们拥有巨大的能量——它们可以快速充电,并在电流的快速爆发中释放能量。


超级电容器制造商麦克斯韦技术公司(Maxwell Technologies)最大的销售额流向了巴士制造商。操作人员使用超级电容器来捕捉公交车刹车时产生的能量,然后释放能量,帮助公交车从死点启动。为此,超级电容器可以完全替代混合动力公交车上的电池,而全电动公交车需要的电池更少。这可能是继续销售超级电容器的最佳方式,作为电池或燃料发动机的补充。


不过,在其他一些地方,超级电容器正在完全取代电池。风力涡轮机就是一个例子,尤其是那些在海上难以到达的风力涡轮机。例如,超级电容器可以提供在不断变化的风力条件下调整涡轮叶片所需的爆发力。


传统上,电池已经满足了这一需求。但是电池会磨损,因为它们的化学物质会随着时间失去效力。因为电容器不依赖化学物质来储存电能,所以它们的寿命要长得多,这是涡轮机的一个重要因素。


一些欧洲汽车也使用类似于公交车的超级电容器。欧洲的“微型混合动力”汽车通常在空转时自动熄火。这种“启停”技术通常只使用电池,但法国汽车制造商PSA在雪铁龙(Citroen)和标致(Peugeot)的部分车型中使用了麦克斯韦超级电容器。


不过,电池继续占据着微型混合动力汽车市场的大部分份额,因为超级电容器和配套的电子产品可能会给一辆汽车增加数百美元的成本。这项技术的支持者认为,从长远来看,超级电容的成本更低,因为它们比电池更耐用,而且工作更可靠,可以节省更多的燃料。


尽管如此,就微型混合动力汽车而言,目前的初始购买价格高于效率和长期拥有成本。


需要克服障碍

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新材料可能有助于超级电容器在能量密度方面更好地竞争。许多科学家都在关注石墨烯,这是一种只有一个原子厚度的碳,自从大约十年前被提炼出来以来,它已经引起了人们的极大兴趣。


石墨烯具有一种特性,使其特别有希望用于超级电容器:超大比表面积。这种高度多孔的石墨烯可以多层堆叠,而每层的两侧都可以接近。在实验中,这使得石墨烯超级电容器的能量密度增加了一倍或两倍。一层碳原子并不能储存多少能量。但是可以堆叠数百甚至数千层的时候,能量就会非常的巨大。


但是到目前为止,它们还不能替代电池。即便如此,超级电容器也可能与电池协同工作。如果超级电容器最终能够储存足够的能量,与电池竞争,超级电容器就具有关键的优势,包括它们可以提供高功率,并可用于数百万次循环。而且,不像电池,它们不会充电过度,也不会过热。


随着便携式能源需求的增长,超级电容器的安全优势将会增强。电容器本身也表达了对安全的担忧,因为任何储存能量的技术都有潜在的危险。但他说,制造商正在逐步淘汰超级电容器中使用的有毒和易燃化学品,甚至这些超级电容器的安全记录也优于锂离子电池。


与此同时,随着电池体积的增大,电池的安全性将成为一个更大的问题,比如目前用于电动汽车的电池。电池越大,就越有可能出问题。为手机等设备制造安全的电池比为汽车制造安全的电池更容易。

 
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