解析石墨烯电池的基本知识

什么是石墨烯电池?

石墨烯和电池

石墨烯是一种由碳原子构成的细胞晶格结构，由于其无数惊人的特性，被广泛认为是一种神奇材料。它是电和热能的强大导体，具有非常轻的化学惰性和很大的比表面积。它也被认为是环境友好的和可持续的，有无数的应用可能性。

石墨烯电池的优势

在电池领域，传统的电池电极材料(以及未来的电池电极材料)在石墨烯强化后得到了显著的改善。石墨烯电池轻巧耐用，适合大容量存储，可缩短充电时间。它可以延长电池的寿命，而电池的寿命与涂覆在材料上或添加到电极上以获得电导率的碳量呈负相关。石墨烯新增了导电性，而不要传统电池中使用的碳量。

石墨烯可以通过多种方式改善电池的性能，如能量密度和形状。锂离子电池(以及其他类型的可充电电池)可以通过将石墨烯引入电池的阳极，利用材料的导电性和大的表面积特性来优化其形态和性能。

制造混合材料也被发现有助于增强电池。例如，氧化钒(VO2)和石墨烯的混合物可用于锂离子阴极，充放电快，充电周期长。在这种情况下，VO2具有高能量容量，但导电性较差，这可以通过将石墨烯作为结构骨架并将VO2附着在其上而得到解决，从而创造出一种既具有高容量又具有良好导电性的混合材料。

另一个例子是LFP(磷酸铁锂)电池，一种可充电的锂离子电池。它的能量密度比其他锂离子电池低，但功率密度更高(这是电池供应能量的速率的一个指标)。石墨烯增强的LFP阴极使电池更轻，充电速度比锂离子电池快得多，比传统的LFP电池容量更大。

石墨烯电池和石墨烯超级电容器的组合，不仅能彻底改变电池市场，还能出现惊人的效果，比如著名的电动汽车续航里程和效率提升的概念。虽然石墨烯电池还没有广泛商业化，但世界各地都有有关电池突破的报道。

电池基本知识

电池作为一种便携式电源，使电力设备无需直接插入插座即可运行。虽然有很多种电池，但它们工作原理基本相似:一个或多个电化学电池将储存的化学能转化为电能。电池通常由金属或塑料外壳制成，包括正极(阳极)、负极(阴极)和允许离子在它们之间移动的电解质。

分离器(一种可渗透的聚合物薄膜)在阳极和阴极之间形成了一道屏障，以预防短路，同时允许离子电荷载体的传输，当电流通过时，离子电荷载体要关闭电路。最后，使用集电极通过连接的设备对电池进行外部充电。

什么是石墨烯电池?

当两个端子之间的电路完成后，电池通过一系列的反应来发电。氧化发生在阳极，电解液中的两个或两个以上的离子与阳极结合，出现释放电子的化合物。同时，阴极被还原，阴极材料、离子和自由电子被合成化合物。简而言之，阳极反应出现电子，而阴极反应吸收电子并在此过程中出现电。电池将继续发电，直到电极耗尽出现反应所需的材料。

电池类型及特性

电池重要有两种类型:初级电池和次级电池。一次电池(一次性电池)，电极材料在充电过程中发生不可逆变化，使用后失效。常见的例子是用于玩具、手电筒和许多便携设备的锌碳电池和碱性电池。二次电池(可充电的)，可以多次放电和充电，因为原来的组成电极可以恢复功能。例如汽车用的铅酸蓄电池和便携式电子产品用的锂离子电池。