复旦水锂电：昙花一现的能源神话由刀豆文库小编整理，希望给你工作、学习、生活带来方便，猜你可能喜欢“关于水的神话故事名称”。
在人们的日常生活中，锂电池已经是司空见惯却也必不可少的物品。从手机、电脑到大型机械设备、新能源汽车，可以说现代社会生活的许许多多新奇“装备”是由锂电池驱动的。近日，最新一期《自然》杂志子刊《科学报道》刊发了复旦大学吴宇平教授领导的课题组关于水溶液锂电池体系的最新研究成果。称其充电时间只要10秒，就能让电动汽车的续航里程达到400公里，这听起来是不是有过度夸张的嫌疑?有没有吹嘘成分还是真的如他们所说的这么神奇，让我们先来了解一下这项新的科研成果。
充电时间只要10秒，续航里程达400公里，让电动汽车和普通汽油在性能上差别不大时代即将到来。最新一期《自然》杂志子刊《科学报道》刊发了复旦大学吴宇平教授课题组关于水溶液锂电池体系的最新研究成果。记者从复旦大学举行的新闻发布会上获悉，短短几天，已有美国新能源汽车开发的相关机构发出合作请求。复旦学者希望将这一成果尽快在国内运用，推动新能源车产业的加速发展，同时为治理空气污染发挥积极作用。
此次，由吴教授团队开发的新型水锂电池体系采用复合膜包裹金属锂，而后将其置于pH值呈中性的水溶液中，与锂离子电池中传统的正极材料如尖晶石锰酸锂组装，制成了平均充电电压为4.2V、放电电压为4.0V的新型水锂电。这一成果大大突破了水溶液的理论分解电压1.23V。吴教授课题组发明的新型水溶液可充锂电池(简称为“水锂电”)的能量密度(即同样大小、质量的情况下，每单位储存电能的多少)比目前普遍采用的有机电解质的动力锂离子电池要高出了80%。以水溶液为电解质，可大幅降低电池的成本，提高其能量密度，从而使电池充电时间更短，储存电量更多，耐用时间更久。记者了解到，现在市面上售卖的电动汽车出行距离为150-180公里，而装备这一新型水锂电的电动汽车，它的行驶距离有望达到400公里。最值得一提的是，目前市面上电动汽车的充电时间需要8个小时，而装备这一新型水锂电的电动汽车一次充电只需要10秒钟左右。此外，新型水锂电的制造成本也只有目前市面上电动汽车锂电池的一半价格。这样一来，电动汽车和普通汽车在性能上的差异不再明显。其环保优势将更具市场吸引力。吴教授说：“这种新型水锂电池一旦产业化后，将能彻底解决目前新能源电动车存在的安全隐患、成本高、行驶里程短等三大制约其产业发展的主要难题。”据悉，汽车要跑按照400公里，大概需要60千瓦时的电量。吴宇平说，目前的有机电解质锂离子电池如果采用快充方式充电，20-30分钟(1200-1800秒)就可以充满80%；而锂离子在水溶液中跑的速度是在有机电解质中的100倍左右，加之水和锂离子是可以迁移产生能量的，因此，采用水锂电的电动汽车，6秒钟就能充满50%(即30千瓦时)的电量，可支持汽车跑200公里。因而，理论上10秒左右是可以将60千瓦时的电池100%充满的。不过，吴宇平同时解释说：“在实际中，这种充电方式可能只能在应急场合采用，因为这涉及到充电设备的技术和成本问题。”
10秒就可以充60度的电，这是什么概念?我们以雪佛兰沃蓝达为例，电池组总电量是16度，一般会保留30%的电以保护电池，所以一次充电电量不到12度。如果用240伏的充电桩，它需要充电4小时。现在这个水锂电池，60度电，只需要充10秒钟，那么，假如它的充电电流和沃蓝达一样，电压就需要是其4800倍!也就是说需要115万伏以上的高电压!如果用的也是240伏电压，那么充电电流将高达6万安培!用一个网友的话说，一辆车充电，半个城市得跳闸!该课题组的研究成员王旭炯补充说，无论是传统的锂离子电池还是水锂电，采用快充方式充电是不宜将电池直接充满的，因为这会使电压升高导致效率损耗和电池损坏。因此，水锂电6秒钟充到30千瓦时的电量后，并不意味着继续充5、6秒的时间，就可以将电池全部充满。但是，可以继续选择慢充的方式将电池充满，或者选择放电后再继续充电。
另外，这种新型水锂电能量效率能达到95%，其采用的是锰酸锂等材料在水溶液中具有优良的电化学性能，即使充一万次电，经过充放电循环后仍可以保持93%的效率。因此，良好的电化学性能为水锂电池的快充快放功能提供充分的支持。此外，相对于之前非水的有机溶剂与锂盐溶液——这些有机溶剂在过度充电、短路等不良使用情况下很容易导致锂离子电池发生起火甚至爆炸——新型的水锂电采用水溶液作为电解质，阻燃性增强，使电池在使用过程中不容易发烫发热，安全性能和成本较现有的锂离子电池都具有明显的优势。
吴宇平在接受记者采访时强调，该新型水锂电的研发目前只是在原理上实现新突破，并在实验室得到了验证。但科学发明从实验室到产业化的过程中并非一蹴而就，仍有很多问题需要解决。“希望人们对科研成果的风险意识能有客观认识，并对科技成果转化为生产力的过程能有一定的耐心。”
水锂电池的成果听起来让人似乎都有种热血沸腾的感觉，如果这样的电池能够研发成功，无疑对我们的生活将起到翻天覆地的变化，说到锂电池，我们不得不说下石墨烯电池。早在两年前，一种看起来怎么也和电池搭不上界的物质--新型材料新石墨稀电池，发表在《纳米快报》上，成了突破电池技术瓶颈的关键。这个成果的公布也让石墨烯的概念股迎来了井喷，但是最近却停止了这股疯狂的涨势，不知道是不是跟复旦大学的水锂电池有关。石墨烯作为一种新型材料，已经被各国科研机构列为重点研究对象，更是被预言能彻底改变21世纪。
在电子领域，石墨烯被认为是硅的接班人。石墨烯是由碳原子组成的单原子层平面薄膜，是目前为止发现的几乎完全透光、强度最大的材料。由于其独有的特性，石墨烯被称为“神奇材料”，科学家甚至预言其将“彻底改变21世纪”。曼彻斯特大学副校长克林贝里教授称：“石墨烯有可能彻底改变数量庞大的各种应用，从智能手机和超高速宽带到药物输送和计算机芯片。”
最近美国加州大学洛杉矶分校的研究人员就开发出一种以石墨烯为基础的微型超级电容器，该电容器不仅外形小巧，而且充电速度为普通电池的1000倍，可以在数秒内为手机甚至汽车充电，同时可用于制造体积较小的器件。
随着批量化生产以及大尺寸等难题的逐步突破，石墨烯的产业化应用步伐正在加快，基于目前已有的研究成果，最先实现商业化应用的领域可能会是移动设备、航空航天、新能源电池领域。
在今年的消费电子展上可弯曲屏幕备受瞩目，成为未来移动设备显示屏的发展趋势。柔性显示未来市场广阔，作为基础材料的石墨烯前景也被看好。有数据显示2013年全球对手机触摸屏的需求量大概在9.65亿片。到2015年，平板电脑对大尺寸触摸屏的需求也将达到2.3亿片，这为石墨烯的应用提供了广阔的市场。韩国三星公司的研究人员也已制造出由多层石墨烯等材料组成的透明可弯曲显示屏，相信大规模商用指日可待。
另一方面，新能源电池也是石墨烯最早商用的一大重要领域。之前美国麻省理工学院已成功研制出表面附有石墨烯纳米图层的柔性光伏电池板，可极大降低制造透明可变形太阳能电池的成本，这种电池有可能在夜视镜、相机等小型数码设备中应用。另外，石墨烯超级电池的成功研发，也解决了新能源汽车电池的容量不足以及充电时间长的问题，极大加速了系能源电池产业的发展。这一系列的研究成果为石墨烯在新能源电池行业的应用铺就了道路。
由于高导电性、高强度、超轻薄等特性，石墨烯在航天军工领域的应用优势也是极为突出的。前不久美国NASA开发出应用于航天领域的石墨烯传感器，就能很好的对地球高空大气层的微量元素、航天器上的结构性缺陷等进行检测。而石墨烯在超轻型飞机材料等潜在应用上也将发挥更重要的作用。正是看到了石墨烯的应用前景，许多国家纷纷建立石墨烯相关技术研发中心，尝试使用石墨烯商业化，进而在工业、技术和电子相关领域获得潜在的应用专利。欧盟委员会将石墨烯作为“未来新兴旗舰技术项目”，设立专项研发计划，未来10年内拨出10亿欧元经费。英国政府也投资建立国家石墨烯研究所，力图使这种材料在未来几十年里可以从实验室进入生产线和市场。
中国在石墨烯研究上也具有独特的优势，从生产角度看，作为石墨烯生产原料的石墨，在我国储能丰富，价格低廉。另外，批量化生产和大尺寸生产是阻碍石墨烯大规模商用的最主要因素。而我国最新的研究成果已成功突破这两大难题，制造成本已从5000元/克降至3元/克，解决了这种材料的量产难题。利用化学气相沉积法成功制造出了国内首片15英寸的单层石墨烯，并成功地将石墨烯透明电极应用于电阻触摸屏上，制备出了7英寸石墨烯触摸屏。
据英国每日邮报报道，目前，美国科学家最新研制一种超级电池，它们被称为微型石墨烯超级电容，其充电和放电速度比普通电池快1000倍。这种超级电池是采用单原子厚度的碳层构成，能够很容易制造并整合成为器件，未来有望制造更小的手机。这种新型电池技术可显著改变电池设计，使电池变得更小，更易于器件整合研究小组称，这项技术突破能够在最短时间内对手机和汽车快速充电，同时可用于制造体积较小的器件。美国加州大学洛杉矶大学材料科学和工程系教授理查德-卡恩说：“集合电子电路的能量存储单元的设计制造存在着挑战，经常局限于整体系统的微型化。”
为了研制这种微型超级电池，研究人员使用二维石墨烯层，在第三维立体层面其厚度仅有单个原子。同时，研究小组发现使用一种标准DVD烧录技术能够很容易制造这种新型电池。
卡恩说：“制造微型超级电容的传统方法涉及到密集型光刻技术，但被证实很难制造成本低廉的器件，因此在商业应用领域受限。目前，我们基于适用于大众的光速写DVD烧录技术，可以仅用部分传统装置成本制造出石墨烯微型超级电容。使用这种技术，我们利用廉价材料仅不足30分钟在一个光盘上制造100多个微型超级电池。”
为了使超级电池更具有效性，两个分离电极的放置方式必须使其表面积最大化。这将使超级电池能够存储更多电能。之前的微型电池是多层石墨烯堆叠在一起作为电极，有点儿像三明治面包片。
在最新设计的超级电池中，研究人员使用叉合模型(类似于互相交织的手指)将电极并排放在一起。这将有助于实现两个电极表面积的最大化，尽管这同时也会减少电解液中离子需要扩散的路径。
最终这种超级电池能够存储更多的电能，更快地完成充电。研究人员表示，人们甚至可以在家中完成这种超级电池的制造。
