概述

锂离子交换电池 - 发明背景

锂离子交换电池 - 原理

锂离子交换电池 - 性能

概述

锂离子交换电池，利用锂离子可在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性，开发出一种新型储能设备，可以将充电时间从过去的数小时之久缩短到不到一分钟。

锂离子交换电池 - 发明背景

电动汽车因其清洁节能的特点而被视为汽车的未来发展方向，但电动汽车的发展面临的主要技术瓶颈就是电池技术。这主要表现在以下几个方面：一是电池的能量储存密度，指的是在一定的空间或质量物质中储存能量的大小，要解决的是电动车充一次电能跑多远的问题。二是电池的充电性能。人们希望电动车充电能像加油一样，在几分钟内就可以完成，但耗时问题始终是电池技术难以逾越的障碍。动辄数小时的充电时间，让许多对电动车感兴趣的人望而却步。因此，有人又将电动车电池的充电性能称为电动车发展的真正瓶颈。

新研究的锂离子交换电池通过采用石墨烯这种神奇的材料，绕过了挑战。石墨烯因具有如下特点成为新储能设备的首选：它是目前已知导电性最高的材料，比铜高五倍；具有很强的散热能力；密度低，比铜低四倍，重量更轻；表面面积是碳纳米管两倍时，强度超过钢；超高的杨氏模量和最高的内在强度；比表面积（即单位质量物料所具有的总面积）高；不容易发生置换反应。

锂离子交换电池 - 原理

锂离子交换电池的阴极和阳极有非常大的石墨烯表面。在制造电池时，研究人员将锂金属置于阳极。首次放电时，锂金属发生离子化，通过电解液向阴极迁移。离子通过石墨烯表面的小孔，到达阴极。在充电过程中，由于石墨烯电极表面积很大，大量的锂离子可以迅速从阴极向阳极迁移，形成高功率密度和高能量密度。

锂离子交换电池 - 性能

锂离子交换电池又称为石墨烯表面锂离子交换电池，或简称为表面介导电池（SMCS），它集中了锂电池和超级电容的优点，同时兼具高功率密度和高能量储存密度的特性。虽然目前的储能设备尚未采用优化的材料和结构，但性能已经超过了锂离子电池和超级电容。新设备的功率密度（即电池能输出最大的功率除以整个燃料电池系统的重量或体积）为100千瓦/公斤，比商业锂离子电池高100倍，比超级电容高10倍。功率密度高，能量转移率就高，充电时间就会缩短。此外，新电池的能量储存密度为160瓦/公斤，与商业锂离子电池相当，比传统超级电容高30倍。能量储存密度越大，存储的能量就越多。

在重量相同的情况下，仅以尚未优化的SMC替代锂离子电池，SMC或锂离子电池电动车的驾驶距离相同，但SMC的充电时间不到一分钟，而锂离子电池则需要数小时。