電池是一種移動電源，可以讓電動裝置在不直接插入電源插座的情況下工作。雖然許多類型的電池存在，但它們的基本功能仍然相似:一個或多個電化學(xué)細(xì)胞將儲存的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。電池通常由金屬或塑料外殼制成，包括正極(陽極)、負(fù)極(陰極)和允許離子在它們之間移動的電解質(zhì)。隔膜(一種可滲透的聚合物膜)在陽極和陰極之間制造一道屏障，以防止電路短路，同時允許離子電荷載體在電流通過時關(guān)閉電路。最后，一個收集器通過連接的設(shè)備用于在電池外面進(jìn)行充電。

當(dāng)兩個端子之間的電路完成時，電池通過一系列的反應(yīng)產(chǎn)生電流。陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，電解液中的兩個或兩個以上的離子與陽極結(jié)合產(chǎn)生一個化合物，釋放電子。與此同時，陰極通過還原反應(yīng)，陰極物質(zhì)，離子和自由電子結(jié)合成化合物。簡而言之，陽極反應(yīng)產(chǎn)生電子，而陰極的反應(yīng)吸收它們，并產(chǎn)生電。電池將繼續(xù)產(chǎn)生電，直到電極耗盡產(chǎn)生反應(yīng)的必要物質(zhì)。

電池主要分為兩種:第一種和第二種。一次電池(一次性)，在充電過程中，由于電極材料的不可逆轉(zhuǎn)的變化，一次性使用和報廢。常見的例子是鋅碳電池以及用于玩具、手電筒和大量便攜設(shè)備的堿性電池。二次電池(可充電)，可以多次放電和充電，因為電極的原始成分能夠重新獲得功能。例子包括汽車用的鉛酸電池和用于便攜式電子設(shè)備的鋰離子電池。

電池有各種各樣的形狀和大小，有無數(shù)不同的用途。不同種類的電池有不同的優(yōu)點和缺點。鎳鎘電池的能量密度相對較低，使用壽命長、放電率高、價格便宜是關(guān)鍵。它們可以在攝像機和電動工具中找到，還有其他用途。鎳鎘電池含有有毒金屬，對環(huán)境有害。鎳金屬氫化物電池的能量密度比鎳電池高，但它的周期壽命也較短。應(yīng)用程序包括手機和筆記本電腦。鉛酸電池重，在大型電力應(yīng)用中起著重要的作用，重量不是本質(zhì)，而是經(jīng)濟價格。它們在醫(yī)院設(shè)備和應(yīng)急照明等方面很普遍。用于便攜式電子設(shè)備的電池。

鋰離子電池是在高能和最小重量的情況下使用的，但技術(shù)是脆弱的，需要保護(hù)電路來保證安全。應(yīng)用程序包括手機和各種各樣的計算機。鋰離子聚合物(Li-ion聚合物)電池主要存在于手機中。它們重量輕，而且比鋰離子電池更苗條。他們通常更安全，壽命也更長。然而，由于鋰離子電池制造成本更低，而且能量密度更高，它們似乎不那么普遍。

雖然有某些類型的電池能夠儲存大量的能量，但是它們體積很大，重量很重，釋放的能量也很慢。另一方面，電容器能夠快速充電和放電，但其能量比電池要少得多。然而，石墨烯在這一領(lǐng)域的使用，為能源儲存提供了令人興奮的新可能性，高電荷和放電率，甚至經(jīng)濟的可承受性。石墨烯改進(jìn)的性能因此模糊了超級電容器和電池之間的傳統(tǒng)界限。

石墨烯電池

石墨烯是一種由碳原子結(jié)合形成的蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)，由于它所擁有的無數(shù)驚人的屬性，它被公認(rèn)為是一種“神奇的材料”。它是電和熱能的有效導(dǎo)體，極輕的化學(xué)惰性，并且具有較大的表面積。它也被認(rèn)為是環(huán)保和可持續(xù)的，有無限的可能性，無數(shù)的應(yīng)用。

在電池領(lǐng)域，隨著石墨烯的增強，傳統(tǒng)的電池電極材料(以及預(yù)期電極材料)有了顯著的提高。石墨烯可制造輕便、耐用、適用于高容量儲能的電池，并縮短充電時間。它將延長電池的壽命，這與涂在材料上或添加到電極上以達(dá)到導(dǎo)電性的碳量負(fù)相關(guān)，而石墨烯在不需要常規(guī)電池使用的碳量的情況下增加電導(dǎo)率。

石墨烯可以通過多種方式提高電池的能量密度和形狀。鋰離子電池可以通過將石墨烯引入電池的陽極，利用材料的電導(dǎo)率和大表面積特性來實現(xiàn)形態(tài)優(yōu)化和性能。

人們發(fā)現(xiàn)，制造混合材料也有助于電池的增強。以釩氧化物(VO2)和石墨烯為例，可以在鋰離子陰極上使用，并可快速充電和放電，同時也可實現(xiàn)大電荷循環(huán)的耐久性。在這種情況下，VO2提供了高的能量容量，但是電導(dǎo)率很低，可以用石墨烯作為一種結(jié)構(gòu)的“主干”來解決這一問題，從而使VO2產(chǎn)生一種既能提高容量又具有良好導(dǎo)電性的混合材料。

此外，還發(fā)現(xiàn)，制造混合材料也可以用于實現(xiàn)電池的另一個例子是LFP(磷酸鐵鋰)電池，這是一種可充電的鋰離子電池。它的能量密度比其他鋰離子電池要低，但功率密度更高(這是電池提供能量的一個指標(biāo))。用石墨烯來增強LFP陰極，使電池重量輕，比鋰離子電池快得多，并且比傳統(tǒng)的LFP電池有更大的容量。

除了革新電池市場，石墨烯電池和超級電容器的聯(lián)合使用也能產(chǎn)生驚人的效果，比如改進(jìn)電動汽車行駛里程和效率的著名概念。

韓國高級科學(xué)技術(shù)研究所(KAIST)的研究人員開發(fā)了一種石墨烯基水混合電容器，這種電容器既穩(wěn)定、安全，又具有高能量和功率密度，而且在30秒內(nèi)充電。這種新型電容器是用一種介于特殊設(shè)計的陽極和陰極之間的液體電解質(zhì)制成的。陽極是由基于石墨烯的聚合物鏈材料制成的，這使其具有很高的表面積，從而使其儲存更多的能量。陰極材料是由嵌入石墨烯的氧化鎳納米粒子組成。

石墨烯增強的鈉離子電池有望成為廉價、有效的鋰替代物。華盛頓州立大學(xué)的研究人員正在研究以石墨烯為基礎(chǔ)的鈉離子電池，這種電池可以為鋰離子電池提供一種更便宜、更可行的替代品。研究人員使用了在石墨烯結(jié)構(gòu)上支持的氧化錫納米晶體，以極大地改善電池的性能。