石墨烯为全球储能领域带来的机遇与挑战

阅读:55时间:2022-03-24

储能技术是能源系统的“总控室”

双碳战略背景下,减碳减排成为经济可持续发展以及维护全球生态系统的良策。由于传统能源的总量不足,各国大力发展风力发电、太阳能光伏发电为代表的新能源,但这类新能源因其自身局限具有不稳定性的问题,无法保障大规模接入电网及供电的持续性。为了解决这一困境,储能技术应运而生,极大提升可再生能源利用率,成为智能电网及能源互联网的中枢和“总控室”。

储能系统包括热能、动能、电能、电磁能、化学能等能量的存储,其研究、开发与应用主要是以储存热能、电能为主,广泛应用于太阳能及风能的利用,通过把一段时期内暂时不用的多余能量通过某种方式收集并储存起来,在使用高峰时或者运往能量紧缺的地方时再进行输出使用,利用这种能量存储的方法实现电力的“移峰填谷”、废热和余热的回收,广泛应用于工业与民用建筑和空调的节能等领域。储能系统由电池、电器元件、机械支撑、热管理、能源管理系统等等组成,电池寿命在当中发挥至关重要的作用,而决定电池使用寿命的关键在于储能材料。为了创新储能材料,提升锂电池和超级电容器的能量密度、循环性、安全性等性能,需要在正极材料上进行技术变革以及进一步对负极材料开展研究。石墨烯因其优异的力学性质和物理性能,被视为理想的储能材料,是提供锂电池容量以及超级电容器能力密度的创新技术路线。

 

石墨烯作为理想储能材料的创新应用

石墨烯的出现正释放出在能源领域应用的无限可能,迈向更绿色、高效、可持续发展的未来。石墨烯因其较大的比表面积、良好的导电性和导热性,一跃成为新型材料的榜首,在能源领域也是锂电池和超级电容器的热门材料,并实现了产业化应用。石墨烯在锂电池中的应用包括三个方面,一是石墨烯复合电极材料,二是导电添加剂,三是石墨烯功能涂层。石墨烯基锂离子电池即可应用于分布式基站,也可应用于无人机和燃料电池车,破解高温极端环境下的续航及安全难题。石墨烯超级电容器是一种特殊的电容器,在能量储存和释放过程中拥有比同类产品更高的优秀导电性和比表面积,即能够为智能设备、柔性电子屏、可折叠手机等智能可穿戴设备,也能应用于电动车等交通运输领域。

石墨烯目前已应用于多个行业,其中最显著的是医疗保健和关键材料领域。据研究报告显示,在未来5年内,太阳能的发展将逐渐走向成熟,全球可再生电力供应量可能增长50%。希腊建立起世界上第一个应用石墨烯的太阳能农场,探索石墨烯太阳能电池的生产,推动欧盟减少对化石燃料的依赖。同时,更有不少研究者加快研发大规模生产硅基石墨烯锂离子电池的技术,优化石墨烯在电池中的应用,增加在电动汽车、移动电话、笔记本电脑等电子产品中的电池寿命和充电时间,改善消费者使用体验。随着技术的不断发展,石墨烯在储能领域将解锁更多应用场景。

 

石墨烯未来发展走向低成本与规模化

随着石墨烯产业的飞快发展,众多企业纷纷投身于开发石墨资源的热潮,国家也出台了大量政策作为支撑,石墨烯加工技术不断突破,石墨烯被认为是会对未来产生“颠覆性”影响的新材料之王。但石墨烯材料受限于原材料和制备工艺,成本较高,导致市场价格较高。目前,气相合成法、氧化还原法和液相分离法等被视为石墨烯规模化制备的重要方法,但仍存在制备效率及产率低的问题。同时,在实际应用中,天然石墨的结构特性不及人造石墨,不利于锂离子电池的电极制造。

面对石墨烯日渐增高的市场需求,未来发展低成本,规模化、连续性的石墨烯制备技术,增加对人造石墨的研发是可行之策。随着双碳战略的落地实行以及可持续发展理念的普及,石墨烯和其他相关二维材料正是工程师们找到的传统材料的可再生替代品,是开发新一代能源设备和产品的必需品,未来石墨烯在储能领域的发展将呈现势不可挡的趋势。

本文作者:永清院办公室
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