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文 | 薛铮铮aa

(相关资料图)

编辑 | 薛铮铮aa

引言

几十年来，电池在电子设备，特别是移动电话的供电方面发挥了关键作用。

随着对更长的电池寿命和更快的充电时间的需求不断增加，研究人员一直在不懈地努力开发下一代电池，以提供比现有电池更好的性能。石墨烯电池似乎是这类技术中最有前途的一种。

石墨烯是2004年发现的一种碳的同素异形体，以其特殊的性能和强度-重量比而闻名。

石墨烯电池的特点和优势

石墨烯电池是由石墨烯以及其他各种材料如锂离子组成的。其导电性能和高表面积使其成为电极涂层的绝佳材料。

石墨烯可以作为不同类型的电池的阳极，如移动电话中常用的锂离子电池。与传统电池相比，使用石墨烯电池具有明显的优势。

更高的充电率

石墨烯电池最显著的好处之一是，它们可以令人难以置信地快速充电。通常情况下，使用传统锂离子电池的智能手机需要大约两个小时才能完全充电。

而使用石墨烯电池，充电所需时间大幅减少，让用户在几分钟内就能为手机充电。根据研究机构发布的报告，石墨烯电池技术可以在短短15分钟内完成充电。

延长电池寿命

在手机中使用石墨烯电池的另一个好处是，它们可以使电池寿命更加延长。其主要原因是，石墨烯可以以更高的速率传输电荷，并且不会随着时间的推移而出现明显的退化。

典型的锂离子电池在大约300次充电循环或使用一年后，容量大约会下降15%，但石墨烯电池的功率容量保持得更好。石墨烯电池的寿命可长达20年。

更轻、更小的尺寸

石墨烯的特殊性能使其成为更小、更轻的电池，重量低于传统的锂离子电池。研究人员已经证明，基于石墨烯的电池大大减少了智能手机的尺寸，这可能有利于那些可能重视更多流动性和便利性的用户。

石墨烯电池的这一特点特别值得注意，因为移动设备对我们日常生活的影响越来越大，意味着它们对环境的影响继续成倍增长。

如果尺寸和重量的减少能够转化为与电子废物相关的环境污染的减少，那么它们确实提出了一个引人注目的主张。

手机电池的发展

自从几十年前最初的手机上市以来，手机电池已经有了长足的进步。开始时，手机很笨重，电池寿命有限。手机的大小决定了电池的大小，这对便携性来说并不理想。随着手机技术的发展，电池性能也有了明显的改善，但同时也出现了新的挑战。

在移动电话的早期，镍镉（NiCad）电池是包括移动电话在内的便携式电子设备的主要动力来源。镍镉电池有一些优点，如具有高能量密度，这意味着它们可以在每单位体积内储存更多的能量。

但它们还有不少缺点：功率容量低，每次循环后充电能力下降，最终导致流行的 "电池记忆"，即部分充电降低其整体性能。

镍氢（NiMH）电池是在20世纪90年代作为镍镉电池的替代品而出现的。虽然它们在材料组成和使用方面有相似之处，但这些较新类型的电池代表了对其前辈的重大改进。

镍氢电池重量轻，容量比镍镉电池高，使它们成为移动电话和其他便携式电子设备的理想替代电源。镍氢电池也更环保，因为它们没有有毒材料。

相对于后来的电池类型，镍氢电池最大的缺点是充电时间比较慢。

锂离子（Li-ion）电池在20世纪90年代末进入市场，它们彻底改变了电子产品的世界，特别是移动电话，改变了今天人们使用设备的方式。

锂离子电池体积小，重量轻，能量密度明显高于镍镉和镍氢电池。它的效率更高，整体性能更好，可以支持电动汽车或储能系统中移动设备以外的一系列应用。

锂离子电池在许多方面优于早期技术。它们具有更高的能量密度，能够在需要充电之前为移动电话提供更长时间的使用。

它们还具有快速充电能力，这对于支持需要快速充电的现代充电标准至关重要，例如谷歌像素的超级充电或Bravia X1 Ultimate Tv的快速加载与10分钟电池寿命。

锂离子电池很少受到老式镍镉电池的 "记忆效应 "的影响，也不包含镍镉电池中的有毒材料。由于它们的充电效率和放电速度比其他电池技术慢得多，所以它们的寿命比以前的版本更长。自几十年前首次推出以来，其成本已大幅下降。

锂离子电池技术不断改进，使这些电池的寿命或记忆保持能力大大增加，同时仍然保持相对较小的物理尺寸。近年来，已经进行了研究，利用基于石墨烯的阴极来提高它们的寿命，使它们更加耐用，能够承受更多的重复充电周期而不发生变质。

另一个增强了锂离子电池实用性的发展是其无线充电能力。无线充电是一个方便的功能，允许用户为他们的智能手机充电，而不需要像电缆那样的任何物理连接。无线充电的潜力反映了锂离子电池设计工作的一个令人兴奋的新方向，这可能导致这些产品运作方式的革命。

虽然锂离子电池可以说是手机电池中最大的技术进步，但它们并非没有挑战。使用锂离子电池的最大风险之一是过热的威胁，可能导致爆炸或火灾。

锂离子电池的物理不可移动性使得热能积聚更有可能，特别是在快速充电时。尽管在研究方面取得了重大进展，但这仍然是设计移动电话时需要处理的一个重要问题，因为设备的小型化使得冷却规定更加困难。

其他相关问题包括在扩大生产规模以支持消费者需求时遇到的技术障碍和制造挑战。还有来自新的电池技术的竞争，基于石墨烯的电池和固态技术成为新的竞争对手。

手机电池的发展已经走过了漫长的道路，随着时间的推移，电池的寿命和效率有了极大的提高。

从早期使用镍镉电池的笨重设备到今天的高效锂离子电池，可以看出电池技术对现代使用是多么重要。看看这项技术的历史和趋势，似乎仍有许多改进的可能，需要持续的投资和创新。

尽管在改善锂离子电池的耐用性、可靠性和寿命方面已经取得了长足的进步，但要实现未来便携式电子设备的全部潜力，必须继续强调制造技术、安全协议和研究。

移动电话的历史揭示了从模拟到数字的耐人寻味的演变，从只有富裕的精英阶层才会随身携带的公文包大小的设备到当代无处不在的时尚的、支持互联网的设备。

电池的使用对这些设备的供电至关重要，因此像石墨烯电池这样的创新电池技术的发展有可能彻底改变这一领域。

手机采用石墨烯电池带来的机遇和挑战

石墨烯基电池为移动电话技术的进一步发展带来了重大机遇。与其他类型的电池相比，石墨烯基电池最显著的优势包括：充电速度更快，持续时间更长，从终端用户的角度来看，可以使设备更小、更轻。

鉴于之前智能手机制造商的成功，他们看到智能手机的改进，如更好的摄像头或屏幕分辨率提高了销售和利润，所以制造商渴望采用新电池技术。

迄今为止的技术发展状况表明，石墨烯电池的智能手机可能在未来几年内准备好供市场采用。关于它们的大规模生产，还有一些技术挑战必须解决。

制造技术

石墨烯的合成仍然是一个挑战，现有的方法生产的石墨烯数量相对较少，成本较高，不能很好地扩展。

另一个问题是与当前制造工艺的整合，因为石墨烯不能与锂离子电池一样被替换到当前设计中。这意味着要对现有机器进行必要的调整，同时努力保证在整个生产过程中保持质量，包括供应链。

鉴于这些要求，石墨烯基电池的商业适应性将需要研究投资，而不是在石墨烯发现的第一个十年中已经投入的资金。

安全方面的担忧

石墨烯电池的另一个挑战是它们的安全程度。与锂离子电池一样，石墨烯电池的某些配置如果受到严重的压力，也会造成灾难性的后果。

石墨烯层的折叠片的厚度和稳定性可以在层与层之间造成巨大的机械应力，并导致热和电故障，这使得它们在没有专门安全措施的情况下处理起来很危险。

石墨烯电池进一步创新的潜力

虽然要使石墨烯电池在商业上大规模可行还需要做更多的工作，但这项新兴技术所提供的相当大的可能性已经促使一些公司和科学机构进一步探索其潜力。

一些研究人员认为，石墨烯包裹的阴极可能是一种全新的长期技术，塑造了能源存储的未来。他们认为，这些新技术可以解决传统电池所面临的多种挑战，如重量和成本高，充电速度慢，以及容量下降。

石墨烯电池的使用超出了个人电子产品的范围，包括广泛的领域，如医疗设备、太阳能电池、航天器和电动汽车。具体到交通领域，石墨烯电池提供了广泛的好处，如减少充电时间，单次充电的范围更大，体积和重量缩小，环境退化最小。

目前，广泛采用石墨烯电池技术的最大障碍是其高昂的成本，但进展仍在快速进行。研究小组正在研究如何降低制造成本，同时进一步优化这些电池。

工程师们已经研究出几种降低生产成本的方法，使用可再生的碳源，而不是传统的石化衍生石墨作为起始材料，从而转化为更便宜的电池价格。

石墨烯也可以在其他领域变得有价值，如促进能源储存，如在超级电容器中，在材料的表面区域而不是在电池的原子结构中储存电荷。通过在超级电容器的电极上使用石墨烯板，由于其高导电性，甚至可以实现更高的功率密度。

将石墨烯与其他含氧分子（如石墨烯-氧化物）或导电聚合物（如石墨烯-聚合物混合复合材料）结合使用的实验为更好的电池性能指标提供了广阔的前景。

笔者观点

石墨烯电池的发展代表了电池技术行业的一个令人兴奋的飞跃。由于具有改善手机功率输出的巨大潜力，这一领域的进一步创新将在未来几年继续影响我们使用设备的方式。

研发者必须考虑到现有的制造工艺如何与这些新技术相结合，同时确保安全协议到位，以防止可能危及消费者的故障。

基于石墨烯的电池需要科学和工程界的大规模承诺，以发挥其潜力，并在为现代电子产品提供动力方面引领更高水平的持续效率。

参考文献：

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