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石墨烯距离能源商品化的时间还有多久?

导读: 目前研究报告显示,石墨烯本身优异的高比表面积与丰富的中孔结构,使石墨烯超级电容的能量密度与功率密度大幅提升,相信石墨烯超级电容于储能的应用将是指日可待。

  石墨烯具有优异的电学、热学与力学特性,近年来一直是众所瞩目的焦点,而且在电子组件、复合材料、气体传感器与能源储存等应用领域皆有突破性发展。在众多的能源储存组件中,超级电容具有高功率密度、快速充放电、高循环寿命、无污染、免维护等优点,在混合电源系统、再生能源储能系统、高功率脉冲电源等,超级电容都有无可取代的地位,因此无论在汽车、电力、铁路、通讯、军事、工业应用、消费性电子产品等方面皆有着极大的应用价值与市场潜力。目前研究报告显示,石墨烯本身优异的高比表面积与丰富的中孔结构,使石墨烯超级电容的能量密度与功率密度大幅提升,相信石墨烯超级电容于储能的应用将是指日可待。

  如果各位读者看过我前面两篇谈到如何运用石墨烯的技巧的话,后面几篇就比较容易重新思考如何来进行各类能源产品的开发。首先,以往部分所谓的能源专家都不曾真正认识过石墨烯,还停留在石墨烯很贵、比表面积太大不适合现有工艺的概念阶段,就一昧否定其真正的价值。普遍不是认为比表面积高对技术开发有利吗?怎么在这里却变成了负担?再者,也因为大部分石墨烯厂商都用氧化还原法造成碳材严重缺陷,所以导电性不佳,所以就误认为石墨烯根本没用。但如果我说这些都不存在问题了,那专家们总该闭嘴专心研究怎么把这些能源产业做大、做强吧。

  切记,石墨烯不是万灵丹,要做出好东西还是要回到最原始、最单纯的物性要求。你要导电率高的石墨烯,还是比表面积高的石墨烯,是凝胶状的石墨烯,还是薄膜状的石墨烯,我们都可以做出来,只要你清楚怎么去取舍及真正找到关键主因就简单多了。其实最难的就是“改变”大家先入为主的观念,就举超级电容为例,大家一谈到石墨烯就马上想到比表面积达到2630 m2╱g,比活性碳还要高,做好超级电容不该是手到擒来的事吗?

  这里告诉各位一个残酷的事实,一般化学法制备的石墨烯比表面积仅有200 m2╱g,所谓的2630 m2╱g不过是理论计算出来的结果。但各位也不用灰心,我们也做出超过900 m2╱g的石墨烯粉末,也有另一款比表面积20 m2╱g的石墨烯用在透明导电膜是绝配,所以我才会说不同的石墨烯要找到对的地方去应用才是王道呀。

  “超级电容”(Supercapacitor)又可称为“电化学电容器”或“超高电容器”(Ultracapacitor),其储能特性恰好与锂离子二次电池相反,藉由活性材料或多孔性材料来进行电荷的储存与释放,比起传统的“介电电容器”具有更高的能量密度(Wh/Kg),比起传统的充电电池具有更高的功率密度(W/Kg),并且循环寿命(Cycle life) 可达万次以上。也就是说除了“能量密度”比锂离子电池差外,其它性能都能完胜,那我们就来把超级电容的能量密度提高到锂离子电池不就结了。

  这个观念铁定正确,但很难做到,至少目前还没有人做到这个境界。要回答怎么应用石墨烯做出能量密度高的超级电容前,我们照例先来了解超级电容的作用原理。举个“电双层超级电容”为例,系利用电极与电解质之间的库仑静电力,造成电解质中电荷分离的现象,进而形成电双层来达到储存电容的目的。由于超级电容电极与电解质之间无电荷转移反应发生,因此并没有法拉第电流产生,只有非法拉第过程的电荷吸引与排斥,造成电荷分离而储存电能,其整体储能特性与电极材料的比表面积息息相关,一般采用具有高比表面积的碳材料。

  “双电层超级电容器”是利用电极与电解质之间形成的“接口双层”来存储能量,使用的电极材料有活性碳(活性碳粉末、活性碳纤维)、碳凝胶、碳纳米管。电容器的容量大小与电极材料的孔隙有关,孔径在2~50nm之间为“中孔”,在保证孔径为中孔的前提下可有效提高材料的比表面积,才能有效的提高双电层电容。以目前使用的商品化活性碳电极材料而言,虽说活性碳具有高比表面积(1000~3,500m2╱g),但大多属于储存电荷容量贡献比例偏低的“微孔”孔洞,导致整体电容量变小。

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