石墨烯的卓越性能和石墨烯电池的未来

“这对整个世界都至关重要。”

Nanotech Energy 联合创始人兼首席技术官 Maher El-Kady 博士概述了石墨烯的卓越特性，并分享了他对石墨烯电池未来的强大愿景。

作为加州大学洛杉矶分校的研究员，您的工作重点是能源、电子和可持续发展领域新材料的设计和实施。对于那些不知道的人，您能解释一下石墨烯是什么以及它为何如此非凡吗？

在过去的二十年中，石墨烯因其具有许多令人着迷的特性而引起了学术界和工业界的广泛关注。

本质上，它是碳原子的单层或平板。它们以蜂窝结构紧密结合在一起，并且由于它只有一个原子的高度，因此它是我们拥有的最接近二维材料的东西。它非常薄，需要 300,000 片石墨烯堆叠在一起才能制成一张纸厚度的东西。每平方米的重量也仅为0.76毫克，比一张纸的重量轻约10万倍。

就强度而言，石墨烯几乎比钢强200倍。如果你用一平方米的石墨烯制作一个吊床——也就是说，这只是一平方米的材料，只有一个原子厚——它能够承载一只猫的重量，但重量只相当于一只猫的胡须的重量。

简而言之，石墨烯是迄今为止发现的最薄、最强、最轻、导电性最强的材料。难怪人们称其为神奇材料。

石墨烯的品质如何转移到电池制造中？是什么让它如此适合此应用？

在室温下，石墨烯的导电性能比任何其他已知材料都好。石墨烯的另一个有趣的特性是，当冷却到接近绝对零的温度时，它会转变为超导体，允许电流毫无阻力地流过它。

石墨烯是纳米技术能源电池的重要组成部分。我们利用其品质来提高标准锂离子电池的性能。与铜相比，它在室温下的导电率高出 70%，从而可以在电池运行期间实现高效的电子传输。通俗地说，这意味着更快的充电和放电。

除了重量轻之外，它还具有高表面积。一盎司石墨烯可以覆盖七个足球场。拥有如此大的表面积可以让您存储或附着更多活性电池材料，这意味着您实际上可以在相似的体积内拥有更高容量的电池。

它的强度还意味着它可以用来控制电池运行过程中阳极和阴极颗粒膨胀和收缩时通常发生的破裂。这意味着您也可以使用石墨烯来提高电池的整体循环寿命。

石墨烯在室温下还表现出最高的导热率。这意味着石墨烯增强电池可能能够处理更高的充电和放电速率而不会过热，这对于电动汽车和高功率应用至关重要。

最后，石墨烯由碳组成，碳是宇宙中第四丰富的元素，因此它不太可能耗尽。

石墨烯电池能带来多大的变革？潜在的影响是什么？

石墨烯是迄今为止已知的导热性最强的材料之一。当集成到锂离子电池中时，其卓越的导热性可在电池运行过程中实现高效散热。这意味着过热风险大幅降低，将电池温度保持在安全范围内，并提高电池的整体性能和安全性。此外，石墨烯具有增加电池容量的潜力，有助于实现更可靠、更持久的储能解决方案。

石墨烯的使用是否意味着我们可以在新的环境中使用电池？

是的，这是可能的——石墨烯绝对可以实现当前锂离子电池技术所不存在的新应用。由于石墨烯非常柔韧，因此可以用来制造可直接集成到纺织品和织物中的电池，这对于可穿戴应用来说是理想的选择。石墨烯对充电时间的影响也可能会增加电动汽车的普遍采用。

我们还在加州大学洛杉矶分校开展了一些研究，着眼于可生物降解的石墨烯电池，该电池可用作植入式医疗设备的电源。这是非常令人兴奋的，并且在医疗保健领域充满希望。

开发这项新技术的最大挑战是什么？

第一个挑战是整个行业面临的——学习如何从石墨中分离石墨烯。但最大的挑战是如何防止它重新堆叠并再次像石墨一样运行。研究人员在过去 20 年左右的时间里一直在研究这个问题。我们在纳米技术能源公司也在做同样的事情，试图开发新的方法，使我们能够保留单层石墨烯的固有特性，我们相信我们现在已经解决了这个问题。

展望未来，下一个挑战在于将石墨烯有效地集成到电池中。如果没有将石墨烯融入电池的正确工艺，我们就无法充分利用其潜在优势。我们现在再次相信，我们已经找到了一种工艺，可以为我们提供我们所寻求的高能量密度、长期循环、高功率充电能力和固有安全性。

这项工作最让你兴奋的是什么？

它可能对我们的世界产生深远的影响。虽然半导体在第三次工业革命中发挥了重要作用，但越来越明显的是，电池正在成为 21 世纪的决定性技术。我们正面临全球气温上升的问题，世界上大多数国家都致力于实现《巴黎气候变化协议》中规定的目标。实际上，我们正在共同解决一个紧迫的全球问题。我们所从事的工作远远超出了美国的边界；它对整个地球具有巨大的意义。

您如何看待纳米技术在未来五年或十年的发展？

作为下一代锂离子电池制造的全球领导者，并为广泛的应用提供环保的储能技术。我希望我们的影响力遍及全球，并且我相信我们会实现这一目标。