电动汽车中的石墨烯电池

本文讨论了石墨烯电池作为电动汽车（EV）中储能系统的潜力。

目前用于EV的电池
电池等储能系统在电动汽车、插电式混合动力汽车（PHEV）和混合动力汽车（HEV）中发挥着关键作用。在电动汽车中，电池是储存电能的唯一能源。目前EV、PHEV、HEV作为储能系统使用的主要电池类型包括锂离子电池、镍氢电池、铅酸电池和超级电容器。
其中，锂离子电池由于其高能效、高功率重量比、高温性能好、与其他储能系统相比具有更好的重量能量比，在电动汽车中使用最为广泛，这是电动汽车电池的一个极其重要的因素。更轻的电池重量意味着电动汽车一次充电的里程更长。然而，电池运行过程中产生的高温，高昂的生产成本以及与失效电池回收相关的问题是锂离子电池的主要缺点。因此，近年来，重点已转向石墨烯电池作为电动汽车的储能系统。

什么是石墨烯？
石墨烯被称为石墨的二维（2D）结构，其中一层扁平的碳原子被组织成一个支撑蜂窝晶格。虽然石墨烯可以通过多种方式制备，但等离子体增强化学气相沉积（PE-CVD）是生产石墨烯的最合适的技术。

PE-CVD技术的主要优点包括较低的工作基底温度以及无转移和无催化剂的生长。在PE-CVD中，包括碳在内的特殊气体混合物被加热成等离子体，在铜或镍板上产生一层石墨烯。随后，从板中提取石墨烯。

石墨烯电池技术和类型
基于石墨烯可以开发许多电池技术和类型。其中最有前景的包括锂金属固态电池、固态电池、超级电容器、石墨烯增强铅酸电池、石墨烯钠离子电池、石墨烯铝离子电池、石墨烯锂离子电池等。

石墨烯电池的优点
石墨烯基材料具有高孔隙率和更大的表面积，并且非常坚固和轻质。此外，这些材料具有高充电能力和灵活性，是热能和电能的良好导体，这使它们成为储存能量的合适材料。
石墨烯的高导电性增加了电极密度并加速了电池内的化学反应，从而能够以更少的热量实现更大的功率传输和更快的充电速度。与锂相比，石墨烯的降解也更少，同时提供了改进的性能，从而大大延长了电动汽车电池的使用寿命。此外，与其他电动汽车电池相比，石墨烯电池也具有成本效益和可持续性。

石墨烯电池在EV中的应用
在不同的石墨烯基电池技术和类型中，石墨烯锂离子电池有望在未来1-3年内实施，固态电池在未来4-8年内实施，石墨烯超级电容器在10年内实施。石墨烯钠离子和石墨烯铝离子电池可以潜在地取代锂离子电池，因为它们更便宜，更容易回收，并且与锂相比，钠和铝在性质上更丰富。
石墨烯铝离子电池可以成为未来的原电动汽车电池，因为石墨烯铝电池的充电速度比锂离子电池快60倍，并且比纯铝电池持有更多的能量。例如，石墨烯铝离子电池可以在一分钟内为AA电池充电，在10秒内为纽扣电池充电。

石墨烯电池的局限性
尽管石墨烯电池作为电动汽车中的储能系统具有优势，但它们仍存在某些局限性。最突出的局限性是缺乏制造高质量石墨烯电池的大规模生产技术。目前，1公斤石墨烯的生产成本在数万美元到数千美元之间，与每公斤15美元的活性炭生产成本相比，这要高得多。

此外，石墨烯基材料的厚度通常限制在微米以内，这大大限制了电池的整体容量。此外，石墨烯电池通常表现出较差的容量保持率，在50%-60%时具有极高的首次循环损耗，在高电流密度下具有95%-98%的低循环效率。

此外，石墨烯不能关闭，因为它缺乏带隙，这意味着材料中没有不存在电子的地方。因此，必须在石墨烯中设计人工带隙以克服挑战。

石墨烯电池在EV中的潜力
虽然石墨烯电池目前在电动汽车中的使用是可能的，但它们尚未商业化，因为需要更多的研究来开发大规模生产技术并进一步确定材料的实用能力。一些公司已经对为电动汽车提供动力的石墨烯电池表现出兴趣。

例如，Nanotech Energy最近获得了富邦金融控股公司的资助，用于开发用于电动汽车的石墨烯增强电池，而总部位于西班牙的Graphenano则与一家中国公司合作开发了一种基于石墨烯聚合物的电池，该电池可以为电动汽车提供500公里的最大续航里程和不到5分钟的充电时间。未来，石墨烯可以成为开发大规模储能的关键材料，石墨烯电池仍然是最有前途的电动汽车电池技术。