新型電池背后都有什么技術門道？

　　電池是將化學反應產生的能量直接轉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，并且結構簡單，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，意大利科學家伏打（Volta）將不同的金屬與電解液接觸做成Volta堆，被認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能直接轉化為電能的發(fā)電裝置。燃料和空氣分別送進燃料電池，電就被奇妙地生產出來。它從外表上看有正負極和電解質等，像一個蓄電池，但實質上它不能“儲電”而是一個“發(fā)電廠”。

　　氫-氧燃料電池反應原理，是電解水的逆過程。

　　電極應為：

　　負極：H2 +2OH-→2H2O+2e-

　　正極：1/2O2+ H2O 2e-→2OH-

　　電池反應：H2+ 1/2O2==H2O

　　燃料電池涉及化學熱力學、電化學、電催化、材料科學、電力系統(tǒng)及自動控制等學科的有關理論，只有燃料電池本體還不能工作，必須有一套相應的輔助系統(tǒng)，包括反應劑供給系統(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。

　　燃料電池直接將燃料的化學能轉化為電能，沒有像通常的火力發(fā)電機那樣通過鍋爐、汽輪機、發(fā)電機的能量形態(tài)變化，避免中間轉換的能量損失，因而能量轉換效率比較高。火力發(fā)電和核電的效率大約在30%～40%，而燃料電池電能轉換效率能達到45%～60%。另外，燃料電池電站占地面積小，建設周期短，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。燃料電池無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。負荷響應快，運行質量高；燃料電池在數(shù)秒鐘內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，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·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年諾貝爾物理學獎。隨著批量化生產以及大尺寸等難題的逐步突破，石墨烯的產業(yè)化應用步伐正在加快，基于目前已有的研究成果，最先實現(xiàn)商業(yè)化應用的領域可能會是移動設備、航空航天、新能源電池領域。

　　應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。分析人士認為，未來一分鐘快充石墨烯電池實現(xiàn)產業(yè)化后，將帶來電池產業(yè)的變革，從而也促使新能源汽車產業(yè)的革新。

　　新型石墨烯電池實驗階段的成功，無疑將成為電池產業(yè)的一個新的發(fā)展點。電池技術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，石墨烯儲能設備的研制成功后，若能批量生產，則將為電池產業(yè)乃至電動車產業(yè)帶來新的變革。

　　正是看到了石墨烯的應用前景，許多國家紛紛建立石墨烯相關技術研發(fā)中心，嘗試使用石墨烯商業(yè)化，進而在工業(yè)、技術和電子相關領域獲得潛在的應用專利。歐盟委員會將石墨烯作為“未來新興旗艦技術項目”，設立專項研發(fā)計劃，未來10年內撥出10億歐元經費。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入生產線和市場。

　　中國在石墨烯研究上也具有獨特的優(yōu)勢，從生產角度看，作為石墨烯生產原料的石墨，在我國儲能豐富，價格低廉。另外，批量化生產和大尺寸生產是阻礙石墨烯大規(guī)模商用的最主要因素。利用化學氣相沉積法成功制造出了國內首片15英寸的單層石墨烯，并成功地將石墨烯透明電極應用于電阻觸摸屏上，制備出了7英寸石墨烯觸摸屏。