石墨烯是理想的储能材料吗?

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石墨烯是世界上第一种二维材料。自2004年被制备出以来,石墨烯的性能比钢强,比铜更导电,柔韧性和透明性吸引了许多人的想象。

由于石墨烯的各种特性,它适合多种应用,包括复合材料和涂料,水过滤,传感器,电子和生物医学应用。

石墨烯具有非常高的表面积,并且具有任何材料中最高的理论电导率,因此,石墨烯似乎是改进诸如电池和超级电容器之类的能量存储设备的理想候选者。

为了利用石墨烯的许多特性,曼彻斯特大学投资了新的石墨烯工程创新中心(GEIC),这是一个耗资数百万英镑的中心,致力于扩大工业石墨烯的应用范围。GEIC内的项目是与学者合作进行商业主导的。

未来的电池即将问世,但石墨烯在哪里?

长期以来,电池性能一直没有重大突破,1970年代末期发现了当前电动汽车使用的锂电池(LiB)。从那时起,LiB的改进变得更加渐进,并由诸如特斯拉汽车公司和松下公司之间的联合体牵头,自2008年发布Tesla Roadster以来,其改进幅度约为30%(在车辆范围内)。

石墨烯应该能够增加这个故事,因为它具有非常高的表面积,并且具有任何材料中最高的理论电导率。因此,它似乎是改进诸如电池和超级电容器之类的能量存储设备的理想候选者。然而,尽管有人声称早日进入电池市场(Skeleton,G-King),但尚不清楚石墨烯添加的优势在何处产生,而目前市场上的吸收最多是有限的。

市场渗透缓慢的原因可能是由于较低的成本/性能优势,因为一旦尝试从基于实验室的工艺进行规模扩大后,石墨烯添加的明显优势还没有实现。商业规模的过程包括铺设湿膜(包含石墨烯),干燥并将膜压延(压扁)成电极。这个过程开始使石墨烯的行为更像其本体衍生物石墨。降低预期的性能影响,并使额外的材料成本难以在商业上证明其合理性。

通过使用GEIC 的能源设施,可以发挥一系列配方,工艺和工程解决方案的作用,从而更好地制造出石墨烯电池或超级电容器,从而达到这一等级。实际上,大学与GEIC第1级合作伙伴(First Graphene Ltd)最近已经开始了最近的合作,该合作旨在扩大由Robert Dryfe 教授和Ian Kinloch教授开发的工艺,这将产生一种石墨烯形式,希望通过专注于按比例扩大超级电容器的材料制造和生产规模的项目来克服其中的一些问题。

石墨烯还可用于通过封装不稳定的材料来实现其他有前途的电池技术,例如硅和锂硫,将这些令人兴奋的技术的耐久性提高到可以接受的水平,以使其在商业上可行,并且如果成功的话,还可以使电气化的未来成为现实。更容易实现。

石墨烯只是许多单层二维材料中的一个。这些其他材料中的某些已显示出在储能装置中的良好性能。特别是由大学的Sarah Haigh教授 和Suelen Barg博士领导的小组最近的工作集中在MXene材料的使用上,该材料由看似可扩展的过程制成。这些团队已经在UoM上基于这些材料制造了可工作的超级电容器和电池。

其他材料,例如2D过渡金属二硫属元素化物,过渡金属氧化物和过渡金属氢化物也显示出在先进的储能技术中的巨大应用前景,我们还可以看到这些材料将在未来几年内开始被广泛使用,并且非常适合雄心勃勃的计划路线图,例如法拉第研究所和法拉第挑战赛。


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