石墨烯讓超級電容器成為現有電池的替代品

石墨烯讓超級電容器成為現有電池的替代品

想象一下，給你的手機充電只需要幾秒鐘。或者考慮一下，如果給一輛電動汽車加幾分鐘油，交通將會發生怎樣的變化。快速充電技術已經在超級電容器領域存在了幾十年。
超級電容器的充電速度不僅比電池快，而且壽命更長，因為它們在充電和放電過程中不會產生損耗電池的物理損耗。
它們也有一些安全優勢。然而，超級電容器的超大尺寸——它們必須比電池大得多才能容納同樣的能量——以及超高的成本阻礙了它們的發展。
但一些科學家認為，最近的突破使超級電容器(有時也被稱為超級電容)的快速、可靠和潛在的更安全的電力存儲技術，可以更好地與電池競爭。石墨烯讓超級電容器成為現有電池的替代品
電池安全問題
任何在一個重要電話中電量不足的人，或者試圖讓一個玩玩具卡車卻突然熄火的孩子冷靜下來的人，都知道電池的極限。
電池充電時間長，重量也相對較重，這對電動汽車市場來說是個大問題，而且電池的安全性也常常成為一個問題。
就在去年夏天，一家大型零售商不得不召回數千塊蘋果(Apple)生產的筆記本電腦更換電池。出于安全考慮，許多筆記本電腦和手機制造商都發現自己的電池被召回，而蘋果只是其中之一。
去年早些時候涉及電池的火災也幫助波音公司的新夢幻客機暫時停飛。2010年，聯合包裹(UPS)的一架飛機在迪拜墜毀，兩名機組人員喪生。調查人員將這兩名機組人員與電池起火事故聯系在一起。電池使用中存在的危險隱患，是促使人們對超級電容器重新產生興趣的原因之一。現在超級電容器將茁壯成長,企業尋求新的、更健壯的電源,也比今天的電池更安全。
超級電容器使用一種靜電來儲存電能，而不是那些使電池難以管理的化學物質。這意味著它們的性能更加可預測，它們的材料更加可靠，不易受溫度變化的影響，而且它們可以完全排放，以便更安全的運輸。
超級電容器的空缺
石墨烯讓超級電容器成為現有電池的替代品
科學家們早就知道能量可以以電荷的形式儲存，而不是像電池那樣以化學反應物的形式儲存。
本杰明·富蘭克林(Benjamin Franklin)用一排排萊登瓶(Leyden jars)進行的著名實驗，實際上是電容器的早期版本。他把這個實驗稱為“電池”(battery)。
但最近超級電容器材料的突破可能使它們在更多應用領域與電池競爭。超級電容器的進步速度比電池快得多。多年來，超級電容器一直處于商業成功的邊緣。例如，1995年的一篇文章的標題就暗示超級電容正在“迅猛發展”。但是，與可充電電池相比，它們仍然是一個小生意——主要是因為與傳統電池相比，它們存儲的能量相對較少。
在電池中，儲存電荷被稱為“能量密度”，與“功率密度”或能量傳遞的速度有區別。超級電容器的能量密度與鋰離子電池相比相形見絀，而鋰離子電池目前通常用于手機和筆記本電腦。在一定的重量和尺寸下，鋰離子電池存儲的能量可能是超級電容器的20倍。另一方面，超級電容器在功率密度方面更勝一籌。它們擁有巨大的能量——它們可以快速充電，并在電流的快速爆發中釋放能量。
超級電容器制造商麥克斯韋技術公司(Maxwell Technologies)最大的銷售額流向了巴士制造商。操作人員使用超級電容器來捕捉公交車剎車時產生的能量，然后釋放能量，幫助公交車從死點啟動。為此，超級電容器可以完全替代混合動力公交車上的電池，而全電動公交車需要的電池更少。這可能是繼續銷售超級電容器的最佳方式，作為電池或燃料發動機的補充。
不過，在其他一些地方，超級電容器正在完全取代電池。風力渦輪機就是一個例子，尤其是那些在海上難以到達的風力渦輪機。例如，超級電容器可以提供在不斷變化的風力條件下調整渦輪葉片所需的爆發力。
傳統上，電池已經滿足了這一需求。但是電池會磨損，因為它們的化學物質會隨著時間失去效力。因為電容器不依賴化學物質來儲存電能，所以它們的壽命要長得多，這是渦輪機的一個重要因素。
一些歐洲汽車也使用類似于公交車的超級電容器。歐洲的“微型混合動力”汽車通常在空轉時自動熄火。這種“啟停”技術通常只使用電池，但法國汽車制造商PSA在雪鐵龍(Citroen)和標致(Peugeot)的部分車型中使用了麥克斯韋超級電容器。
不過，電池繼續占據著微型混合動力汽車市場的大部分份額，因為超級電容器和配套的電子產品可能會給一輛汽車增加數百美元的成本。這項技術的支持者認為，從長遠來看，超級電容的成本更低，因為它們比電池更耐用，而且工作更可靠，可以節省更多的燃料。
盡管如此，就微型混合動力汽車而言，目前的初始購買價格高于效率和長期擁有成本。
需要克服障礙
石墨烯讓超級電容器成為現有電池的替代品
新材料可能有助于超級電容器在能量密度方面更好地競爭。許多科學家都在關注石墨烯，這是一種只有一個原子厚度的碳，自從大約十年前被提煉出來以來，它已經引起了人們的極大興趣。
石墨烯具有一種特性，使其特別有希望用于超級電容器：超大比表面積。這種高度多孔的石墨烯可以多層堆疊，而每層的兩側都可以接近。在實驗中，這使得石墨烯超級電容器的能量密度增加了一倍或兩倍。一層碳原子并不能儲存多少能量。但是可以堆疊數百甚至數千層的時候，能量就會非常的巨大。
但是到目前為止，它們還不能替代電池。即便如此，超級電容器也可能與電池協同工作。如果超級電容器最終能夠儲存足夠的能量，與電池競爭，超級電容器就具有關鍵的優勢，包括它們可以提供高功率，并可用于數百萬次循環。而且，不像電池，它們不會充電過度，也不會過熱。
隨著便攜式能源需求的增長，超級電容器的安全優勢將會增強。電容器本身也表達了對安全的擔憂，因為任何儲存能量的技術都有潛在的危險。但他說，制造商正在逐步淘汰超級電容器中使用的有毒和易燃化學品，甚至這些超級電容器的安全記錄也優于鋰離子電池。
與此同時，隨著電池體積的增大，電池的安全性將成為一個更大的問題，比如目前用于電動汽車的電池。電池越大，就越有可能出問題。為手機等設備制造安全的電池比為汽車制造安全的電池更容易。

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