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石墨烯电池/燃料电池/空气电池等热门电池技术讲解

2016-05-06 13:19
铁马老言
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  电池是将化学反应产生的能量直接转换为电能的一种装作。具有稳定电压,稳定电流,长时间稳定供电,受外界影响很小,并且结构简单,携带方便,充放电操作简便易行,性能稳定可靠的特点,给现代社会生活带来很多便利。

  1800年,意大利科学家伏打(Volta)将不同的金属与电解液接触做成Volta堆,被认为是人类历史上第一套电源装置。人类先后发明了铅酸蓄电池、以NH4Cl为电解液的锌—二氧化锰干电池、镉-镍电池、铁-镍蓄、碱性锌锰电池和锂离子电池等。随着研究不断深入,近年不断出现新型电池。

  | 燃料电池

  燃料电池(Fuel Cell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池,电就被奇妙地生产出来。它从外表上看有正负极和电解质等,像一个蓄电池,但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。

石墨烯电池/燃料电池/空气电池等热门电池技术

  氢-氧燃料电池反应原理,是电解水的逆过程。

  电极应为:

  负极:H2 +2OH-→2H2O+2e-

  正极:1/2O2+ H2O 2e-→2OH-

  电池反应:H2+ 1/2O2==H2O

  燃料电池涉及化学热力学、电化学、电催化、材料科学、电力系统及自动控制等学科的有关理论,只有燃料电池本体还不能工作,必须有一套相应的辅助系统,包括反应剂供给系统、排热系统、排水系统、电性能控制系统及安全装置等。

  燃料电池直接将燃料的化学能转化为电能,没有像通常的火力发电机那样通过锅炉、汽轮机、发电机的能量形态变化,避免中间转换的能量损失,因而能量转换效率比较高。火力发电和核电的效率大约在30%~40%,而燃料电池电能转换效率能达到45%~60%。另外,燃料电池电站占地面积小,建设周期短,电站功率可根据需要由电池堆组装,安装地点灵活,十分方便。燃料电池无论作为集中电站还是分布式电站,或是作为小区、工厂、大型建筑的独立电站都非常合适。负荷响应快,运行质量高;燃料电池在数秒钟内就可以从最低功率变换到额定功率。

石墨烯电池/燃料电池/空气电池等热门电池技术

  | 石墨烯电池

  石墨烯电池,是利用锂离子在石墨烯表面和电极之间能快速大量穿梭运动的特性,开发出的一种新能源电池。

  石墨烯(Graphene)是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。2004年,英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫,成功从石墨中分离出石墨烯,证实它可以单独存在,两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。随着批量化生产以及大尺寸等难题的逐步突破,石墨烯的产业化应用步伐正在加快,基于目前已有的研究成果,最先实现商业化应用的领域可能会是移动设备、航空航天、新能源电池领域。

石墨烯电池/燃料电池/空气电池等热门电池技术

  应用石墨烯材料制成的新型电池,尺寸和重量均将变小,而且能量储存密度得到很大提高。更重要的是,它大大缩短了充电时间,方便了消费者。美国俄亥俄州的Nanotek仪器公司利用锂离子在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性,开发出一种新的电池。这种新的电池可把数小时的充电时间压缩至短短不到一分钟。分析人士认为,未来一分钟快充石墨烯电池实现产业化后,将带来电池产业的变革,从而也促使新能源汽车产业的革新。

  新型石墨烯电池实验阶段的成功,无疑将成为电池产业的一个新的发展点。电池技术是电动汽车大力推广和发展的最大门槛,而目前的电池产业正处于铅酸电池和传统锂电池发展均遇瓶颈的阶段,石墨烯储能设备的研制成功后,若能批量生产,则将为电池产业乃至电动车产业带来新的变革。

  正是看到了石墨烯的应用前景,许多国家纷纷建立石墨烯相关技术研发中心,尝试使用石墨烯商业化,进而在工业、技术和电子相关领域获得潜在的应用专利。欧盟委员会将石墨烯作为“未来新兴旗舰技术项目”,设立专项研发计划,未来10年内拨出10亿欧元经费。英国政府也投资建立国家石墨烯研究所(NGI),力图使这种材料在未来几十年里可以从实验室进入生产线和市场。

  中国在石墨烯研究上也具有独特的优势,从生产角度看,作为石墨烯生产原料的石墨,在我国储能丰富,价格低廉。另外,批量化生产和大尺寸生产是阻碍石墨烯大规模商用的最主要因素。利用化学气相沉积法成功制造出了国内首片15英寸的单层石墨烯,并成功地将石墨烯透明电极应用于电阻触摸屏上,制备出了7英寸石墨烯触摸屏。

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