表面介導電池可使電動車充電時間僅需幾分鐘

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比較超級電容器和電池，如圖所示，表面介導的電池具有三種不同的電極厚度，既有較高的功率密度，又有較高的能量密度。 資料來源：美國化學學會在哪裡，這就像是電池技術的突破，但它不是電池。 Nanotekinstruments, Inc.

及其子公司 Angstronmaterials, Inc. Ohton 公司開發出一種新規格，用於設計儲能設備，依賴大量鋰離子在電極中的快速穿梭，這種電極具有很大的石墨烯表面。 這種儲能裝置對於電動車非常有用，可以縮短充電時間，從幾小時縮短到不到一分鐘。

其他應用可能包括再生能源儲存（例如，儲存太陽能和風能）和智慧電網。 研究人員表示，這種新裝置是一種石墨烯表面功能的鋰離子交換電池，或者更簡單地說，是一種表面介導電池（SMCS：Surface-Mediatedcells）。 雖然現在的設備採用的是未公開的材料和結構，但已經可以超越鋰離子電池和超級電容器。

這種新裝置每千瓦電池可提供100千瓦的電力，比商用鋰離子電池高100倍，比超級電容器高10倍。 功率密度越高，能量傳輸速度越快（可以帶來更快的充電速度）。 此外，這款新電池的儲存能量密度可達每公斤電池160瓦，與商業化的鋰離子電池相當，比傳統超級電容器高出30倍。

能量密度越大，可儲存的能量越多，儲存的能量就越多（電動車的行駛里程就越長）。 如果具有相同的設備重量，那麼現在的表面介電池和鋰離子電池都可以用於電動車，奈米儀器公司和安格斯特朗材料公司聯合創始人江博茲（Borz.jang）表示，我們的表面介電池與現在的鋰離子電池類似，可以進一步提高能量密度，因此也可以提高行程。

不過，原則上，表面介導的電池可以在幾分鐘內（可能不會少於一分鐘）完成充電，而不是像電動車使用的鋰離子電池那樣需要幾個小時。 江寶茲與奈米技術儀器有限公司合夥人

美國國家科學院院士和安格斯米亞材料公司共同發表了這項研究成果，這是關於下一代儲能設備的研究，發表在最新的《納米快報》（Nanoletters）上。 兩家公司都專注於奈米材料的商業化，Angerstrong是世界上最大的奈米花崗岩（NGPS：Nanographeneplatelets）製造商。 正如研究人員在研究中所解釋的那樣，儲能、電池和超級電容器都有各自的優點和缺點。

雖然鋰離子電池的能量密度（120-150瓦/公斤）遠高於超級電容器（5瓦/公斤），但這種電池的功率密度較低（1千瓦/公斤電池，相較之下10千瓦/公斤電池）。 許多研究團隊在增加鋰離子電池的功率密度、提高超級電容器的能量密度等方面做出了努力，但這兩個領域仍存在重大挑戰。 因為提供了新的框架，可以用於儲能設備，因此這種表面介導的電池可以讓研究人員繞過這些挑戰。

開發這種新型儲能裝置，可以縮小鋰離子電池與超級電容器之間的性能差距，」江鮑茲說。 更重要的是，這種用於製造儲能設備的全新框架，使研究人員能夠實現高能量密度，同時也能實現高功率密度，而不會犧牲任何一個。 表面介導的電池電極擁有很大的表面積，使得大量離子快速穿梭，帶來快速的充電時間。

來源：美國化學學會的表面介導電池性能的關鍵在於陰極和陽極都含有非常大的石墨烯表面。 在製造電池時，研究人員將鋰金屬（以顆粒或金屬箔的形式）放入陽極。 在第一次放電循環中，鋰被電離，帶入的鋰離子數量比鋰離子電池多。

當電池使用時，這些離子會透過液體電解質遷移到陰極，進入陰極的孔隙中，到達陰極中較大的石墨烯表面。 在充電過程中，大量的鋰離子通量從陰極快速遷移到陽極。 非常大的電極表面積，使大量離子快速穿梭，功率和能量密度高。

研究人員解釋稱，這種表面多孔的電極（而不是像電池裡的塊狀電極）不需要耗時的插入過程。 在此過程中，鋰離子必須插入電極之間，這構成了重要的電池充電時間。 在這項研究中，雖然研究人員使用了大量不同類型的石墨，製備了不同類型的石墨烯（氧化、還原的單層和多層石墨烯），但對這些材料和配置進行了進一步的分析，以優化這種裝置。

一方面，研究人員計劃進一步研究這種電池的循環壽命。 到目前為止，他們發現這些元件在經過1000次循環後仍能保留95%的容量，甚至在2000次循環後也仍然沒有出現枝晶的跡象。 研究人員還計劃討論不同的鋰儲存機制與設備性能的關係。

我們估計表面介導電池技術的商業化不會遇到什麼大的障礙，」江鮑茲說。 雖然目前石墨烯售價較高，但安格斯特朗材料公司正積極擴大石墨烯的生產實力。 預計未來1-3年內石墨生產成本將大幅下降。