能量存储始终是困扰人类的一个命题，但是可再生能源、电动汽车、智能手机以及Apple Watch的问世，使得人们对体积更小、储存能量更多的电池的需求愈发迫切。目前能量密度的限制意味着电动汽车只能跑几百英里，而智能手机电池只能维持24小时左右。

纳米材料，尤其是石墨烯，因其优良的性能，被视为能量存储领域的搅局者而备受关注。这是由于许多纳米材料具有高比表面积—高比表面积意味着可以储存更多的电荷，因此围绕着石墨烯已经制备出石墨烯基超级电容器和用于锂电池的石墨烯阳极。

 

Apple Watch的问世使得市场对于电池储能有更高的要求。（来源：Apple）

更好的电池—来自于石墨烯或硅？

锂离子电池的最大问题就是可储存于石墨烯阳极的电荷量。当电池充电的时候，锂离子会进入石墨烯，而当放电时，锂离子会离开石墨烯，但是由于石墨烯的储存电荷能力有限，使得石墨烯阳极的储能约为150mAh/g左右。研究人员也对硅基阳极进行了探索，其有望成为十年来储能效果最好的电极，产能约可提高10倍，但有两个因素阻碍其发展：

循环寿命有限：当吸收和释放锂离子时，硅的体积最多可增加4倍，这会使得其在循环过程中会被破坏。反过来这又会导致的电接触的减少、甚至使得硅颗粒和电极涂层发生崩解。

合成成本高：合成硅基阳极过程中使用的化学前驱体、合成方法等通常都非常昂贵，且和石墨烯相比，这种方法不适合大规模生产。

用于不稳定硅的“石墨烯网笼”

解决这个问题的方法之一是将硅放置于富勒烯、纳米管或者纳米线状的笼子里。现在一些公司例如XG Sciences和California Lithium Battery正在开发石墨烯涂层硅，或者“硅—石墨烯纳米复合阳极材料”。

由于石墨烯纳米片（GNP）非常短，而且通过层叠组装，涂层可渗透电解液，使得电解液可接触到核处电活性粒子，同时也能有力地附着在颗粒上。GNP层可承受电颗粒在电化学循环中的膨胀和收缩，而不会丧失复合材料的电传导或机械性能。

 

电动汽车是另一个对高密度、快速充电电池需求迅猛增长的领域。来源：Tesla Motors。

并非另一个“卓越电池”商业计划

当听到另一个电池更换技术的时候，我的反应是敬而远之，因为建造一个电池是非常复杂的流程，而且许多公司都知道，这需要消耗的石墨烯量非同寻常，如果执意为之，无异于将自己架在火堆之上。然而，这些公司可以选择供应阳极材料。

石墨烯超级电容器

另一个替代方案是舍弃电池，而采用另外的储能方式。电容器或者超级电容器并不是新鲜概念，但是二维材料的传导特性和高表面积特点使得石墨烯成为强有力的竞争者—至少理论上是这样。

超级电容器和电容器的主要差别是超级电容器并不依赖于两个电极之间的电介质。因此，电容器靠分开电荷来操作，而超级电容器则依靠在带有离子的双电层材料之间储存能量。超级电容器中的这些双电化学层的厚度只有电容器中电介质的千分之一。

当然挑战也是无处不在。使用活性炭使得表面积达到1500m2/g可以很轻易地实现。最好的碳电极其表面积可达到3000 m2。然而限制因素是无法生产适用于超级电容器的石墨烯。标准方法生产的薄膜会粘连在一起，减少表面积，使得材料很难被利用。韩国研究人员创造的石墨烯“荧光棒”可以有效解决这个问题。

超级电容器之所以能吸引研究人员的目光，是由于其具有高的充电放电速率，而这正是锂离子电池和酸性电池所不能承受的。这可以保证储存的能量能被迅速释放，因此可以应用于电动汽车，或者其他需要能量被迅速释放的领域。

智能手机充电最快速的方法

当全世界都在等待石墨烯材料的完美亮相时，一些公司采用了混合方法。例如Zap&Go5最近出资数十万美元用于开发能快速为移动电话充电的装置。

为了克服锂离子电池充电速率的限制，Zap&Go充电器结合超级电容器可以将其插入电源插座快速充电，电池存储的能量可缓慢释放到移动装置中。虽然它并不能在几秒钟之内充满你的手机，但是这仍然是一个非常大的进步。

竞争对手的表现

世界所面临的能量存储问题在于目前有很多技术，而这些技术处在不同的阶段。能量可以通过非电子方式存储—最有效的方法就是将水抽到大坝之上，然后让其流下推动涡轮机转动。除此之外，还有化学储能、机械储能，生物储能和相变储能等。

解决能源问题的普世方案看起来不大可行，因此整个市场看起来是支离破碎的。对于石墨烯用于电池阳极或者超级电容器的假设也是情有可原的，然而虽然有很多关于能量储存的研究，但是目前仍然没有可以打动Apple或者Tesla的技术出现。

新材料在线编译整理：翻译：杨超     校对：摩天轮