新型石墨烯量子電池突破傳統電池極限

　　近幾年，新能源的勢頭很猛，無論是有關它的項目還是產品，隨隨便便都能造成一個話題引人關注，新能源石墨烯量子電池就是一個很好的例子。

　　除了工業應用，目前電池比較大眾化的用途主要用于手機與電動汽車兩方面。然而，長期以來，傳統的鋰離子電池都有耗能、成本高、使用條件有限制、充電時間長、續航時間短等問題。特別是使用時長，相信大部分人都或多或少遭遇過關鍵時刻手機或汽車突然沒電的尷尬。而隨著工業時代的發展，電池作為動力的來源，在世界市場上占領的份額越來越大，傳統電池的這些問題也就成了其自身的“詬病”，亟待解決。技術和材料是主要攻破點，在意識到電池行業將是個龐大的市場后，數年來，一大批國內外企業和機構紛紛投入研究，都希望能找出一種完美的材料發展新型電池，突破使用局限。

　　與此同時，一直致力于石墨烯研發的聚碳復材發現，傳統鋰離子電池都采用石墨類負極材料，在負極性能相似的情況下，鋰離子電池的性能很大程度上取決于正極材料。因此，聚碳復材研究人員想到了在電池上采用新的能源材料石墨烯。其實驗表明，通過在鋰電池正負極材料中添加石墨烯，一是作為導電劑，二是作為負極電極嵌鋰材料，在降低電池內阻的同時，可以達到實現高倍率快充快放和大幅提高電池循環壽命以及提升電池耐受高低溫的性能的作用。

　　石墨烯電池取得了革命性成功的同時，聚碳復材石墨烯量子電池研究領域也取得了輝煌的研發成果。近日，聚碳復材首席科學家，哈爾濱工業大學王殿龍教授在石墨烯量子電池領域取得重大突破。通過實驗和理論計算，他們發現自主研發的納米石墨烯/LiFePO4電池在水溶液中具有超快充放電速度，在200C(3600/200=18秒)充放電倍率下，容量可保持理論容量的92%。這一倍率性能超過2009年MIT Ceder教授在Nature上報道的最快充放電速度(150 C下容量保持56%)，同時也發現比同等條件下有機電解液的充放電速度快約10倍。

　　通過電化學實驗和模擬，及量子化學第一性原理計算，發現納米石墨烯/LiFePO4超充放電的機理，關鍵是LiFePO4納米顆粒與不同電解液接觸形成的新的固液界面結構，該固液界面的結構成為鋰離子脫嵌過程及鋰離子輸運速度的決速步。石墨烯/LiFePO4與水溶液電解質接觸后，表面化學吸附鍵合水分子的氧原子彌補了表面的對稱性破缺，形成了與體相對稱性一樣的結構，同時又形成了一層水合界面。這層界面不僅有類似于體相的結構，同時也具有溶液中鋰離子的水合結構，形成一層Janus(古希臘神話中的雙面神)界面。這將降低鋰離子在界面處的脫嵌能壘，有利于鋰離子溶劑化和去溶劑化過程。此項研究將為今后進一步提高納米量子電容電池倍率性能提供新的方法和視角，即通過調控正極材料的界面性質提高電容電池的倍率性能。

　　值得一提的是，聚碳復材研究人員不但提高了電池的續航能力，在防鼓防燃上也比傳統電池做得更好，成功扭轉了蓄電池在過熱或過冷的天氣都會受到影響的尷尬局面，使電動汽車哪怕處于低溫狀態，都能充滿電并順暢使用。產品落地后，聚碳復材將這款真正意義上的石墨烯電池稱作石墨烯量子電池，預計將于2017年4月上市。

　　研究小組估計，如果石墨烯量子電池得到廣泛應用，將帶動智能手機跟電動汽車為中國帶來每年數以億計的經濟利潤。