質(zhì)子穿過(guò)石墨烯膜示意圖圖片由受訪者供應(yīng)

新知

燃料動(dòng)力電池汽車(chē)作為一種新能源電動(dòng)汽車(chē)，只要一兩分鐘即可加滿(mǎn)燃料，核心組件就是燃料動(dòng)力電池，其中質(zhì)子傳導(dǎo)膜的導(dǎo)電性在很大程度上影響著燃料動(dòng)力電池的能量轉(zhuǎn)化效率。近日，天津大學(xué)化工學(xué)院教授張生與英國(guó)曼徹斯特大學(xué)諾貝爾物理獎(jiǎng)得主安德烈·海姆爵士等人合作，證實(shí)了石墨烯、氮化硼等二維材料具有質(zhì)子傳導(dǎo)性，并進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，自然界中廣泛存在的云母用于燃料動(dòng)力電池的高溫質(zhì)子交換膜比目前商用膜性能更優(yōu)，更加節(jié)能環(huán)保。這兩項(xiàng)研究成果近期發(fā)表在《自然·納米》與《自然·通訊》上。

尋找更薄的膜提高續(xù)航里程

據(jù)悉，與目前常見(jiàn)的家用鋰離子電動(dòng)汽車(chē)相比，燃料動(dòng)力電池汽車(chē)省去了漫長(zhǎng)的充電時(shí)間，只要一兩分鐘即可加滿(mǎn)燃料。同時(shí)燃料動(dòng)力電池汽車(chē)不經(jīng)歷熱機(jī)過(guò)程，不受熱力循環(huán)限制，能量轉(zhuǎn)換效率極高，續(xù)航更長(zhǎng)，而燃料動(dòng)力電池發(fā)電過(guò)程的產(chǎn)物惟有水，更加環(huán)保，因此燃料動(dòng)力電池汽車(chē)成為了將來(lái)汽車(chē)的重要發(fā)展方向之一。

過(guò)針刺 低溫防爆18650 2200mah

符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)

充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%

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燃料動(dòng)力電池的工作原理是陽(yáng)極燃料氫氣失去電子成為質(zhì)子，而后穿過(guò)質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極與氧氣、電子結(jié)合生成水，質(zhì)子在電池內(nèi)部傳輸與外電路的電子構(gòu)成電流回路，因此質(zhì)子傳導(dǎo)性能關(guān)于燃料動(dòng)力電池能量轉(zhuǎn)化效率非常關(guān)鍵。目前商用全氟磺酸質(zhì)子傳導(dǎo)膜厚度至少在5微米以上，要在100℃以下處于水合狀態(tài)才能發(fā)揮用途，此時(shí)對(duì)氫氣的純度要求較高。若開(kāi)發(fā)出100℃以上可以高效傳導(dǎo)質(zhì)子的膜材料，將有助于提高燃料動(dòng)力電池效率，降低對(duì)氫氣純度的要求，簡(jiǎn)化水管理系統(tǒng)，達(dá)到降低成本、減少污染的目的，對(duì)燃料動(dòng)力電池汽車(chē)的商業(yè)發(fā)展具有緊要意義。

尋找高效的高溫質(zhì)子傳導(dǎo)膜材料并不容易。張生解析說(shuō)，這種材料不僅要求薄，而且在準(zhǔn)許質(zhì)子高速通過(guò)的同時(shí)，還得阻擋氫氣的滲透。因?yàn)闅錃獾臐B透會(huì)萌生副反應(yīng)，降低電池輸出電壓，影響燃料動(dòng)力電池的整體反應(yīng)效率。同時(shí)它還需具備耐高溫的特性。

石墨烯等二維材料是理想材料

張生首先與合作者制備了微米級(jí)的單層石墨烯、氮化硼薄膜，厚度約為0.3納米(1納米等于0.001微米)，將該薄膜兩側(cè)分別放置于不同濃度的鹽酸溶液中，由于濃差梯度的存在，濃度高的一側(cè)的離子會(huì)向濃度低的一側(cè)擴(kuò)散，離子的運(yùn)動(dòng)形成了電流。

他們依據(jù)理論計(jì)算出具有六邊網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的石墨烯和氮化硼等二維材料由于其特殊的物理結(jié)構(gòu)，只準(zhǔn)許直徑小于10皮米(1皮米等于千分之一納米)的粒子通過(guò)。鹽酸由氫離子和氯離子組成，質(zhì)子半徑約為0.001皮米，氯離子半徑約為180皮米，所以惟有較小的質(zhì)子才能通過(guò)該薄膜。由此證明，該試驗(yàn)中通過(guò)二維薄膜的電流全部是由質(zhì)子傳導(dǎo)萌生的，而體積稍大的氯離子則完全沒(méi)有貢獻(xiàn)。張生表示：通過(guò)這個(gè)試驗(yàn)證明，石墨烯與氮化硼二維材料只準(zhǔn)許質(zhì)子通過(guò)，能阻擋其他離子與分子，包括氫氣的通過(guò)，滿(mǎn)足了燃料動(dòng)力電池質(zhì)子傳導(dǎo)膜材料的要求。但他也坦言，石墨烯和氮化硼雖然比商業(yè)質(zhì)子傳導(dǎo)膜更薄(相差一萬(wàn)倍)，但由于結(jié)構(gòu)過(guò)于致密，導(dǎo)致質(zhì)子傳導(dǎo)阻力大于商業(yè)膜，能量轉(zhuǎn)化效率并沒(méi)有提高，不合適做商業(yè)化推廣。

無(wú)人船智能鋰電池

IP67防水，充放電分口 安全可靠

標(biāo)稱(chēng)電壓：28.8V
標(biāo)稱(chēng)容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測(cè)繪、無(wú)人設(shè)備

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云母膜比石墨烯更具使用前景

在證實(shí)石墨烯等二維材料可以作為質(zhì)子傳導(dǎo)材料的基礎(chǔ)上，張生和合作者們經(jīng)過(guò)兩年的積極探索發(fā)現(xiàn)另一種二維材料云母比石墨烯在燃料動(dòng)力電池范疇更具使用前景。

云母是一種在地殼中儲(chǔ)量極其豐富且價(jià)格十分低廉的礦物，其主體由像海綿相同的鋁硅酸鹽層組成，鉀離子則像水相同在其中的孔隙中大量存在。張生解析說(shuō)，由于離子交換反應(yīng)，鉀離子可以很容易地與質(zhì)子進(jìn)行交換。因?yàn)殁涬x子半徑約為100皮米，而質(zhì)子半徑約為0.001皮米，體積要小得多，因此質(zhì)子可以很好地在鉀離子所在的孔隙中進(jìn)行傳輸。

研究發(fā)現(xiàn)，離子交換解決后的云母膜，質(zhì)子傳導(dǎo)率得到極大提高，且使用溫度可以從100℃延伸到500℃，極具使用前景。張生解析說(shuō)：我們發(fā)現(xiàn)離子交換反應(yīng)后的云母膜質(zhì)子傳導(dǎo)率提高了100倍。同時(shí)云母膜熱穩(wěn)定性更高，且儲(chǔ)量豐富、價(jià)格低廉。研究還發(fā)今朝150℃的溫度下，云母膜質(zhì)子傳導(dǎo)率超過(guò)了目前商業(yè)化要求的兩倍，使用于燃料動(dòng)力電池后，汽車(chē)的行駛里程將會(huì)有很大提高。

目前張生正率領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)制備大尺度云母薄膜，利用其高效的質(zhì)子傳導(dǎo)性和優(yōu)良的耐熱性，對(duì)現(xiàn)有燃料動(dòng)力電池技術(shù)進(jìn)行改良，推動(dòng)燃料動(dòng)力電池汽車(chē)的發(fā)展。除了燃料動(dòng)力電池之外，張生還計(jì)劃將上述質(zhì)子傳導(dǎo)膜材料用于太陽(yáng)能光解水、海洋藍(lán)色能源提取，以及二氧化碳電化學(xué)轉(zhuǎn)化成甲酸、乙醇、乙烯等化工原料的眾多清潔能源技術(shù)。