鉅大LARGE | 點擊量:782次 | 2020年01月10日
石墨烯距離能源商品化的時間還有多久?
石墨烯具有優異的電學、熱學與力學特性,近年來一直是眾所矚目的焦點,而且在電子組件、復合材料、氣體傳感器與能源儲存等應用領域皆有突破性發展。在眾多的能源儲存組件中,超級電容具有高功率密度、快速充放電、高循環壽命、無污染、免維護等優點,在混合電源系統、再生能源儲能系統、高功率脈沖電源等,超級電容都有無可取代的地位,因此無論在汽車、電力、鐵路、通訊、特種、工業應用、消費性電子產品等方面皆有著極大的應用價值與市場潛力。目前研究報告顯示,石墨烯本身優異的高比表面積與豐富的中孔結構,使石墨烯超級電容的能量密度與功率密度大幅提升,相信石墨烯超級電容于儲能的應用將是指日可待。
如果各位讀者看過我前面兩篇談到如何運用石墨烯的技巧的話,后面幾篇就比較容易重新思考如何來進行各類能源產品的開發。首先,以往部分所謂的能源專家都不曾真正認識過石墨烯,還停留在石墨烯很貴、比表面積太大不適合現有工藝的概念階段,就一昧否定其真正的價值。普遍不是認為比表面積高對技術開發有利嗎?怎么在這里卻變成了負擔?再者,也因為大部分石墨烯廠商都用氧化還原法造成碳材嚴重缺陷,所以導電性不佳,所以就誤認為石墨烯根本沒用。但如果我說這些都不存在問題了,那專家們總該閉嘴專心研究怎么把這些能源產業做大、做強吧。
切記,石墨烯不是萬靈丹,要做出好東西還是要回到最原始、最單純的物性要求。你要導電率高的石墨烯,還是比表面積高的石墨烯,是凝膠狀的石墨烯,還是薄膜狀的石墨烯,我們都可以做出來,只要你清楚怎么去取舍及真正找到關鍵主因就簡單多了。其實最難的就是改變大家先入為主的觀念,就舉超級電容為例,大家一談到石墨烯就馬上想到比表面積達到2630m2╱g,比活性碳還要高,做好超級電容不該是手到擒來的事嗎?
這里告訴各位一個殘酷的事實,一般化學法制備的石墨烯比表面積僅有200m2╱g,所謂的2630m2╱g不過是理論計算出來的結果。但各位也不用灰心,我們也做出超過900m2╱g的石墨烯粉末,也有另一款比表面積20m2╱g的石墨烯用在透明導電膜是絕配,所以我才會說不同的石墨烯要找到對的地方去應用才是王道呀。
超級電容(Supercapacitor)又可稱為電化學電容器或超高電容器(Ultracapacitor),其儲能特性恰好與鋰離子二次電池相反,藉由活性材料或多孔性材料來進行電荷的儲存與釋放,比起傳統的介電電容器具有更高的能量密度(Wh/Kg),比起傳統的充電電池具有更高的功率密度(W/Kg),并且循環壽命(Cyclelife)可達萬次以上。也就是說除了能量密度比鋰離子電池差外,其它性能都能完勝,那我們就來把超級電容的能量密度提高到鋰離子電池不就結了。
這個觀念鐵定正確,但很難做到,至少目前還沒有人做到這個境界。要回答怎么應用石墨烯做出能量密度高的超級電容前,我們照例先來了解超級電容的作用原理。舉個電雙層超級電容為例,系利用電極與電解質之間的庫侖靜電力,造成電解質中電荷分離的現象,進而形成電雙層來達到儲存電容的目的。由于超級電容電極與電解質之間無電荷轉移反應發生,因此并沒有法拉第電流產生,只有非法拉第過程的電荷吸引與排斥,造成電荷分離而儲存電能,其整體儲能特性與電極材料的比表面積息息相關,一般采用具有高比表面積的碳材料。
雙電層超級電容器是利用電極與電解質之間形成的接口雙層來存儲能量,使用的電極材料有活性碳(活性碳粉末、活性碳纖維)、碳凝膠、碳納米管。電容器的容量大小與電極材料的孔隙有關,孔徑在2~50nm之間為中孔,在保證孔徑為中孔的前提下可有效提高材料的比表面積,才能有效的提高雙電層電容。以目前使用的商品化活性碳電極材料而言,雖說活性碳具有高比表面積(1000~3,500m2╱g),但大多屬于儲存電荷容量貢獻比例偏低的微孔孔洞,導致整體電容量變小。
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