鋰離子交換電池原理

鋰離子交換電池的陰極和陽極有非常大的石墨烯表面。在制造電池時，研究人員將鋰金屬置于陽極。首次放電時，鋰金屬發(fā)生離子化，通過電解液向陰極遷移。離子通過石墨烯表面的小孔，到達陰極。在充電過程中，由于石墨烯電極表面積很大，大量的鋰離子可以迅速從陰極向陽極遷移，形成高功率密度和高能量密度。

電動汽車因其清潔節(jié)能的特點而被視為汽車的未來發(fā)展方向，但電動汽車的發(fā)展面臨的主要技術(shù)瓶頸就是電池技術(shù)。這主要表現(xiàn)在以下幾個方面:一是電池的能量儲存密度，指的是在一定的空間或質(zhì)量物質(zhì)中儲存能量的大小，要解決的是電動車充一次電能跑多遠的問題。二是電池的充電性能。人們希望電動車充電能像加油一樣，在幾分鐘內(nèi)就可以完成，但耗時問題始終是電池技術(shù)難以逾越的障礙。動輒數(shù)小時的充電時間，讓許多對電動車感興趣的人望而卻步。因此，有人又將電動車電池的充電性能稱為電動車發(fā)展的真正瓶頸。

新研究的鋰離子交換電池通過采用石墨烯這種神奇的材料，繞過了挑戰(zhàn)。石墨烯因具有如下特點成為新儲能設備的首選:它是目前已知導電性最高的材料，比銅高五倍;具有很強的散熱能力;密度低，比銅低四倍，重量更輕;表面面積是碳納米管兩倍時，強度超過鋼;超高的楊氏模量和最高的內(nèi)在強度;比表面積(即單位質(zhì)量物料所具有的總面積)高;不容易發(fā)生置換反應。

?鋰離子交換電池，利用鋰離子可在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運動的特性，開發(fā)出一種新型儲能設備，可以將充電時間從過去的數(shù)小時之久縮短到不到一分鐘。

鋰離子交換電池又稱為石墨烯表面鋰離子交換電池，或簡稱為表面介導電池(SMCS)，它集中了鋰電池和超級電容的優(yōu)點，同時兼具高功率密度和高能量儲存密度的特性。雖然目前的儲能設備尚未采用優(yōu)化的材料和結(jié)構(gòu)，但性能已經(jīng)超過了鋰離子電池和超級電容。新設備的功率密度(即電池能輸出最大的功率除以整個燃料電池系統(tǒng)的重量或體積)為100千瓦/公斤，比商業(yè)鋰離子電池高100倍，比超級電容高10倍。功率密度高，能量轉(zhuǎn)移率就高，充電時間就會縮短。此外，新電池的能量儲存密度為160瓦/公斤，與商業(yè)鋰離子電池相當，比傳統(tǒng)超級電容高30倍。能量儲存密度越大，存儲的能量就越多。

在重量相同的情況下，僅以尚未優(yōu)化的SMC替代鋰離子電池，SMC或鋰離子電池電動車的駕駛距離相同，但SMC的充電時間不到一分鐘，而鋰離子電池則需要數(shù)小時。