石墨烯超级电容器用于作战潜艇动力电源探讨

来源:用户上传      作者:

　　摘 要：通过总结潜艇用动力电池的特点，分析了潜艇对石墨烯超级电容器的提出要求，根据我国石墨烯超级电容器的研究现状，大胆提出将石墨烯超级电容器作为潜艇动力电源的设想。
　　关键词：石墨烯超级电容器;潜艇;电源
　　中图分类号：TB 文献标识码：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.20.108
　　0 引言
　　潜艇是保护我国万里海疆的水中利器。作为隐蔽的水下武器发射平台，潜艇的动力电池对其作战性能有着举足轻重的作用。长期以来，铅酸蓄电池一直是常规潜艇的动力来源，由于其使用了几十年，诸如体积笨重、比能量低的弊端一直难以克服，急需一种新型优良的动力电源来取代铅酸蓄电池。虽然锂离子电池性能优异，应用广泛，但在使用中会产生气胀，进一步限制了它的应用。随着新型储能元件超级电容器的出现，以其充放电快、使用安全、成本低、寿命长、环境污染小等优异的性能有望成为未来常规潜艇的动力电源。
　　石墨烯（Graphene）非常薄，只有一个碳原子的厚度，是碳原子以sp2杂化轨道组成的形状为六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，具有导热系数高、电子迁移率大、电阻率低的极薄、坚硬、透明等特点的纳米材料，因此可用作潜艇电池。
　　1 潜艇对动力电池的要求
　　1.1 电储存量大
　　目前世界各国使用的电池1小时放电量约为5000～10000A，50小时放电量达到10000～20000A，但潜艇在进攻和攻击后要迅速脱离战场，并且在没有补给的条件下仍然能够执行较长的航程，所以得要求电池容量足够大，以能够储存供给潜艇使用的超量电能。
　　1.2 重量轻
　　电池轻重与潜艇重量息息相关，减轻电池重量，意味着潜艇的重量将会大大减少，这对潜艇的机动性是非常有利的;目前潜艇设有2组或4组电池组，每组由112块或120块电池组合而成，因此有较高的负重。如果是同样吨位的潜艇，使用重量轻的电池意味着潜艇可以携带更多的弹药和补给，艇员的居住条件也会相应改善，这对提升潜艇的战斗力是显而易见的。
　　1.3 寿命长
　　潜艇内部由于排满各种武器装备，为了减小容积空间安排极其紧凑。因此，潜艇在整个服役期内，不宜频繁更换电池，除非借助潜艇大修时机，且每更换一次需要较高的成本。这就要求潜艇电池的使用寿命越长越好，这也是决定超级电容器电池能否用在潜艇上的一个重要指标。
　　1.4 性能可靠
　　电池作为潜艇在水下唯一的动力源泉，电池一旦出现故障，不但会直接影响潜艇作战任务能否顺利完成，而且还会危及艇员的生命和潜艇的安危。因此，要求潜艇的电池故障率低、性能可靠，从而才能够保证潜艇在海上时刻处于战备值班状态。
　　1.5 充电时间短
　　潜艇在水下航行时，艇内空气要供给艇员呼吸，所以此时无法启动柴油机为电池充电。而潜艇充电，要上浮到能够将通风管露出水面状态时，才可启动柴油机为电池充电，此时的潜艇极易受到对方攻击。因此，潜艇电池充电时间要尽可能的短，从而减小暴露的机会，提升自身的生存机率。
　　1.6 适应高温高湿环境
　　潜艇各个舱室温差较大，电池舱温度常年平均在40摄氏度左右，相对湿度在平均90%以上。在这样高温高湿条件下，要求电池必须能够保持良好的绝缘状态并且能正常工作。
　　2 我国石墨烯超级电容器的研究现状
　　2009年起，我国开始正式涉足石墨烯超级电容器领域。虽然起步较晚，但取得的成果却不比其它的国家差。目前，国内基于石墨烯超级电容器的研究工作已广泛开展，主要集中在电容器电极材料制备和改性，包括杂原子化学掺杂制备石墨烯电极材料、石墨烯与碳纳米管复合和石墨烯与聚合物的复合。周明杰、刘大喜、王要兵研究的石墨烯/聚3-（4-氟苯基）噻吩复合材料及其制备方法并成功运用在超级电容器的生产。Jie Tong 等将石墨烯与聚苯胺混合作为超级电容器电极材料，组装成超级电容器，经过电化学测试，比电容达到215.8F.g-1，电流密度比不掺杂聚苯胺提高86%。Chen-Xu Jiao等将石墨烯作为电极材料组装成超级电容器，在6mol.L-1 KOH电解液中1.5V电压下进行12000次恒流充放电测试，电压仅衰减2.77%。Bo Yan等将MnPO4 H2O与石墨烯混合作为电极材料，组装成超级电容器在3 mol.L-1 KOH电解液中测试，比容量达到287.9F.g-1，能量密度150KW.Kg-1，该种方法制备的电极材料表现出良好的比容量和能量密度，有望用于超级电容器的生产。Hai-fu Huang等在石墨烯中加入5%氮元素，以此材料作为电极材料组装成超级电容器，在6mol.L-1 KOH電解液中经交流阻抗测试，内阻为4Ω，内阻较小，在实际使用中可以大大减少内阻的损耗。相关的研究结果表明，石墨烯超级电容器在动力电池领域具有很强的商业化应用前景。
　　3 石墨烯超级电容器的特点
　　石墨烯自问世以来，以其质量轻、理化性质稳定、电导率高、价格低廉而成为科研工作者的研究热点。随着研究的进一步深入，其比容量表面积大、导电性能高使其作为电极材料而应用到超级电容器领域。作为新兴储能元件超级电容器在使用石墨烯作为电极后，性能得到大幅度的提升，并得到更加广泛的应用。制作方法有：机械剥离法、化学氧化还原法、化学气相沉积法、开裂碳纳米管法等，而其中的化学氧化还原法具有产量高、成本低、方法简便等优点而成为常用的制作方法。主要有以下几方面的特点。
　　3.1 输出功率大
　　因为石墨烯超级电容器具有很高的功率密度和能量密度，能够在短时间内释放出很大的电流，从而导致输出功率也会大幅度提高。而石墨烯超级电容器的功率密度同样也会大幅度地超过传统电容器，具有很高的比容量。与多孔的碳材料作比较，由于石墨烯具有更大的表面积及含有大量的层间构造，因此它更适合在双电层电容器中应用，具有高的导电性和传出功能。 　　3.2 充电速度快及使用寿命长
　　石墨烯超级电容器的电能储存是在石墨烯电极表面通过快速、可逆的电化学反应来完成的，能够在数十秒到几分钟内即可完成快速的充电任务，并达到饱和量。再由于石墨烯是由自身多孔的粉末包装成的一个硬币形状的细胞，具有巨大的表面积，因此储存的能量多于现在使用的锂离子电池，且充、放电以秒计算，总耗时也不超过10分钟。又由于石墨烯化学性质极其稳定，可以多次重复充放电，循环次数可在10万次以上。
　　3.3 重量轻
　　生产石墨烯超级电容器使用的不管是电极材料石墨烯，还是水系或有机系电解液，重量仅为制造铅酸蓄电池所需的极板高密度铅重量的50%，且成本将比锂电池低77%。因此，比较起来石墨烯超级电容器的重量更轻，组装的电池组重量也会随之相应降低。
　　3.4 污染小
　　石墨烯超级电容器的生产与较于传统的铅酸蓄电池相比，由于没有使用金属铅做电极板，对于环境污染和对潜艇员的身体损害都将会大大减低，当某一个潜艇由于其它部件的磨损而报废时，对于电池的处理因不用考虑铅污染，工序也会相应变得简单。
　　3.5 环境适应性强
　　普通电池的工作温度一般要求在-20℃～+60℃之间，而超级电容器的工作温度范围是-40℃～+70℃。普通电池在低温条件下化学反应速度会大幅度降低，而低温对超级电容器的影响并不大，故而超级电容器在低温时比传统电池具有更加优越的电化学性能。
　　4 结论及展望
　　通过对比潜艇对电源提出的要求和石墨烯超级电容器的特点，我们得出石墨烯超级电容器可以用作潜艇动力电池。然而，石墨烯超级电容器要想真正走上潜艇还有待于科研工作者不断地研究与深入。但随着我国科研工作者的不懈努力，以及国家投资力度的不断加大，我国的石墨烯超级电容器产业必将出现蓬勃发展的态势。相信在不久的将来，我国的潜艇必能使用由石墨烯超级电容器制成的动力电源，让我国的潜艇为保卫祖国的蓝色国土作出更大的贡献。
　　参考文献
　　[1]黄丽，金明钢，尤金跨等.聚合物锂离子蓄电池气胀原因的初步探讨[J].电源技术，2003，5（27）：163-165.
　　[2]林晓东.石墨烯基超级电容器产业研究[J].厦门科技，2017，（3）：12-18.
　　[3]吕生华，邓丽娟.石墨烯基超级电容器的研究进展[J].功能材料，2015，24（46）：24015-24022.
　　[4]周明杰，刘大喜，王要兵.石墨烯/聚3-（4-氟苯基）噻吩复合材料及其制备方法、超级电容器：中国，CN201110101040.1[P].2012：10-24.
　　[5]Jie Tong，Huai-hao Zhang，Jiang-na Gu，et al.Poly（ethylene glycol）-block-poly（propyle-ne glycol）-block-poly（ethylene glycol）-assisted synthesis of graphene/polyaniline composites as high-performance supercapacitor electrodes[J].Mater Sci.2016，（51）：1966-1977.
　　[6]Chen-Xu Jiao，Bao-Yan Xing，Jian-Gao Zhao，et al.Facile Preparation Graphene by High-temperature Electrolysis and its Application in Supercapacitor[J].Acta Chim.Slv.2014，（61）：852-857.
　　[7]Bo Yan，Duan Bin，Fang-fang Ren，et al.Facile Synthesis ofMnPO4.H2O Nanowire/Graphene Oxide Composite Material and Its Application as Electrode Material for High Performance Supercapacitors[J].Catalysts，2016，6（198）：1-15.
　　[8]Hai-fu Huang，Cheng-long Lei，Guang-sheng Luo，et al.Facile synthesis of nitrogen-doped graphene on Ni foam for high-performance supercapacitors[J].J Mater Sci.2016，（51）：6348-6356.
　　[9]NOVOSELOVK S，GElMA K，MOROZOvS V，et a1.Electric field effect in atomically thin carbon films[J].Science，2004，（306）：666.
　　[10]萬武波，赵宗彬，胡涵.柠檬酸钠绿色还原制备石墨烯[J].新型炭材料.2011，6（1）：16.
　　[11]DERVISHI E，L1 Z&SHYAKD T，et a1.The role of hydrocarbon concentration on the synthesis of large area few to multi-layer graphene structures[J].Chem Phys Lett，2011，（501）：390.
　　[12]SHINDE D B，DEBGuPTA J，KUSHwAHA A，et a1.Electrochemical unzipping of multi-walled carbon nanotubes for facile synthesis of high-quality graphene nanofibbons[J].J Am Chem Soc，2011，（133）：4168.
　　[13]张然.石墨烯超级电容器的性能研究与优化[D].北京：北京交通大学，2014：1-6.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/2/view-14895687.htm