新型電池發(fā)展背后的秘密
來源：寶鄂實業(yè)
2019-03-19 15:10
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電池是將化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的能量直接轉(zhuǎn)換為電能的一種裝作。具有穩(wěn)定電壓，穩(wěn)定電流，長時間穩(wěn)定供電，受外界影響很小，并且結(jié)構(gòu)簡單，攜帶方便，充放電操作簡便易行，性能穩(wěn)定可靠的特點，給現(xiàn)代社會生活帶來很多便利。
1800年，意大利科學(xué)家伏打（Volta）將不同的金屬與電解液接觸做成Volta堆，被認(rèn)為是人類歷史上第一套電源裝置。人類先后發(fā)明了鉛酸蓄電池、以NH4Cl為電解液的鋅—二氧化錳干電池、鎘-鎳電池、鐵-鎳蓄、堿性鋅錳電池和鋰離子電池等。隨著研究不斷深入，近年不斷出現(xiàn)新型電池。
燃料電池
燃料電池（Fuel Cell）是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。燃料和空氣分別送進(jìn)燃料電池，電就被奇妙地生產(chǎn)出來。它從外表上看有正負(fù)極和電解質(zhì)等，像一個蓄電池，但實質(zhì)上它不能“儲電”而是一個“發(fā)電廠”。
氫-氧燃料電池反應(yīng)原理，是電解水的逆過程。
電極應(yīng)為：
負(fù)極：H2 +2OH-→2H2O+2e-
正極：1/2O2+ H2O 2e-→2OH-
電池反應(yīng)：H2+ 1/2O2==H2O
燃料電池涉及化學(xué)熱力學(xué)、電化學(xué)、電催化、材料科學(xué)、電力系統(tǒng)及自動控制等學(xué)科的有關(guān)理論，只有燃料電池本體還不能工作，必須有一套相應(yīng)的輔助系統(tǒng)，包括反應(yīng)劑供給系統(tǒng)、排熱系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、電性能控制系統(tǒng)及安全
燃料電池直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，沒有像通常的火力發(fā)電機(jī)那樣通過鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)的能量形態(tài)變化，避免中間轉(zhuǎn)換的能量損失，因而能量轉(zhuǎn)換效率比較高?；鹆Πl(fā)電和核電的效率大約在30%～40%，而燃料電池電能轉(zhuǎn)換效率能達(dá)到45%～60%。另外，燃料電池電站占地面積小，建設(shè)周期短，電站功率可根據(jù)需要由電池堆組裝，安裝地點靈活，十分方便。燃料電池?zé)o論作為集中電站還是分布式電站，或是作為小區(qū)、工廠、大型建筑的獨立電站都非常合適。負(fù)荷響應(yīng)快，運(yùn)行質(zhì)量高；燃料電池在數(shù)秒鐘內(nèi)就可以從最低功率變換到額定功率。
石墨烯電池
石墨烯電池，是利用鋰離子在石墨烯表面和電極之間能快速大量穿梭運(yùn)動的特性，開發(fā)出的一種新能源電池。
石墨烯(Graphene)是從石墨材料中剝離出來、由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體。2004年，英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功從石墨中分離出石墨烯，證實它可以單獨存在，兩人也因此共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎。隨著批量化生產(chǎn)以及大尺寸等難題的逐步突破，石墨烯的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用步伐正在加快，基于目前已有的研究成果，最先實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的領(lǐng)域可能會是移動設(shè)備、航空航天、新能源電池領(lǐng)域。
應(yīng)用石墨烯材料制成的新型電池，尺寸和重量均將變小，而且能量儲存密度得到很大提高。更重要的是，它大大縮短了充電時間，方便了消費者。美國俄亥俄州的Nanotek儀器公司利用鋰離子在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運(yùn)動的特性，開發(fā)出一種新的電池。這種新的電池可把數(shù)小時的充電時間壓縮至短短不到一分鐘。分析人士認(rèn)為，未來一分鐘快充石墨烯電池實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化后，將帶來電池產(chǎn)業(yè)的變革，從而也促使新能源汽車產(chǎn)業(yè)的革新。
新型石墨烯電池實驗階段的成功，無疑將成為電池產(chǎn)業(yè)的一個新的發(fā)展點。電池技術(shù)是電動汽車大力推廣和發(fā)展的最大門檻，而目前的電池產(chǎn)業(yè)正處于鉛酸電池和傳統(tǒng)鋰電池發(fā)展均遇瓶頸的階段，石墨烯儲能設(shè)備的研制成功后，若能批量生產(chǎn)，則將為電池產(chǎn)業(yè)乃至電動車產(chǎn)業(yè)帶來新的變革。
正是看到了石墨烯的應(yīng)用前景，許多國家紛紛建立石墨烯相關(guān)技術(shù)研發(fā)中心，嘗試使用石墨烯商業(yè)化，進(jìn)而在工業(yè)、技術(shù)和電子相關(guān)領(lǐng)域獲得潛在的應(yīng)用專利。歐盟委員會將石墨烯作為"未來新興旗艦技術(shù)項目"，設(shè)立專項研發(fā)計劃，未來10年內(nèi)撥出10億歐元經(jīng)費。英國政府也投資建立國家石墨烯研究所（NGI），力圖使這種材料在未來幾十年里可以從實驗室進(jìn)入生產(chǎn)線和市場。
電極應(yīng)為：
負(fù)極：H2 +2OH-→2H2O+2e-
正極：1/2O2+ H2O 2e-→2OH-
電池反應(yīng)：H2+ 1/2O2==H2O
燃料電池涉及化學(xué)熱力學(xué)、電化學(xué)、電催化、材料科學(xué)、電力系統(tǒng)及自動控制等學(xué)科的有關(guān)理論，只有燃料電池本體還不能工作，必須有一套相應(yīng)的輔助系統(tǒng)，包括反應(yīng)劑供給系統(tǒng)、排熱系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、電性能控制系統(tǒng)及安全裝置等。
