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石墨烯和铜合成研发高铁“超级充电线”

日期:2021-09-03 16:35
飞驰的高铁上,目之所及是车内舒适的环境和窗外快速掠过的景色,却很少有人关注到列车上方的接触网导线,而这个接触网却肩负重要职责:为高铁提供电能。

如今我国高铁正向时速400公里迈进,对接触网也提出了更高的要求:导电性要高,要扛得住日晒雨淋,还要扛得住摩擦导致的高温。近日,中科院深圳先进院副研究员王鑫告诉深圳商报记者,他们正在研发石墨烯+铜的高铁“超级充电线”。

“超级铜”可节约用电

高铁轨道上方都设置了接触网导线,通过车身上的列车受电弓,将电能从导线接入到车中。

这根导线看似平常,却绝不简单:除了导电性能和耐用程度,在列车时速达到300公里以上时,受电弓和接触网导线摩擦,会产生高温,导线必须在这种高温下也保持性能良好。换言之,导电性、柔韧度、硬度和强度缺一不可。

铜具备良好的导电性,被确定为导线的主要材料之一。由于其强度差,人们又在不断寻找另一种金属来形成优势互补,并最终确定了铜镁合金。

“我国高铁时速马上要达到400公里,这就需要升级版的‘超级导线’,我们觉得石墨烯+铜是很好的解决方案。”王鑫告诉记者。

事实上,业界已开始研究石墨烯+铜的组合。这种新型复合材料的超高导电性能,比导电性能之王——金属银,还要高出10%,被美国铜协会认定为目前室温测到的、最高导电率的金属材料。

此前中国中车研发出的“超级铜”,正是由石墨烯+铜组成。据报道,全国电机中,若10%的电机替换为超级铜,则每年可节约用电27.2亿度,约相当于葛洲坝电站两个月的发电量。

让电子坐上高速列车

不过,石墨烯和铜的“联姻”之路并非一帆风顺。如何让两者混合更均匀,是难题之一。

此前的研究中,大多用铜粉和石墨烯粉混合,来制备这种新型复合材料。“这是微米级别的混合,虽然可操作性强,但我们觉得还能进一步提升。”王鑫告诉记者

△团队制备的石墨烯+铜接触线样品

为此,团队创新性地从铜结晶过程中就开始调控,让两者达到原子、分子级别的混合。大概操作过程为,将石墨烯和铜放进一个有机体系里,通过调控它们的反应速度,让铜均匀地沉积在石墨烯表面。“两者优势互补,能让电子又多,跑得又快,就像电子也坐上了高速列车。

如今,实验室已完成了样品的制备。与此同时,为进一步提高材料性能,团队还自主研发了一种算法,通过高通量筛选,从不同种类的石墨烯中,找到最合适的那一种。

这种新型复合材料不仅可应用于高铁接触网,还可用于日常供电的电网等多种场景。
 

新型石墨烯让钠电池容量大增 未来或可与锂电池相媲美

无论是制成特殊泡沫作为热开关,还是与陶瓷混合形成超强的电解质,石墨烯正以一些有趣的方式塑造着电池技术的未来。现在,来自瑞典的科学家又将这种神奇材料应用到可持续的钠电池中,从而让容量比传统钠电池增长了十倍多。

在改进和创造电池设计的道路上,科学家们被地球中含量丰富的钠所吸引,并把钠看作是目前锂离子电池的优秀替代者。这些钠离子电池的功能很像今天的锂离子电池,通过在液态电解质中的一对电极之间穿梭离子来发电,但就目前而言,它们的性能还不尽如人意。

部分原因是钠离子比锂离子大,所以它们不能很好地与由石墨烯堆叠层组成的石墨电极融合。通常情况下,当电池在一种称为插层(intercalationintercalation)的过程中循环时,离子会自由地进出石墨电极,但体积较大的钠离子无法有效地储存在结构中。这严重影响了钠离子电池的性能,使其容量达到35 mAh/g左右,是锂离子电池的1/10。

为了寻找解决这个问题的方法,瑞典查尔莫斯工学院(Chalmers University of Technology)的科学家们转向了一种具有特殊特性的新型石墨烯。该团队的Janus石墨烯是以一位因拥有两张脸而闻名的罗马神名字命名,其特点是只有一面的分子既是间隔物,又是钠离子的活性互动点。

事实上,在这之前,科学家已经有人将两面性思维应用于所谓的Janus粒子,例如允许球体既吸引又排斥水。在这种情况下,只在石墨烯材料的一个面上发现的分子促进了堆叠片之间的静电相互作用,同时也在它们之间创造了更多的空间,该团队发现这带来了容量的巨大提高。

该团队成员Jinhua Sun解释说:“我们在石墨烯层的一侧添加了一个分子间隔。当这些层叠在一起时,分子在石墨烯片之间创造了更大的空间,并提供了一个互动点,这导致了容量的大幅提高。”

据悉,通过使用新型Janus石墨烯代替石墨,科学家们在实验性钠电池中实现了332 mAh/g的容量,比传统设计高出约10倍,接近使用石墨的锂电池容量。这项研究成果已于近期发表在了《科学进步》杂志上。

研究作者Aleksandar教授说:“当我们观察到钠离子以如此高的容量插入时,这真是令人兴奋。这项研究仍处于早期阶段,但结果很有希望。这表明有可能设计出适合钠离子的有序结构的石墨烯层,使其与石墨相媲美。”


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