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:一個或多個電化學細胞將儲存的化學能轉(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閉電路。最后，一個收集器通過連接的設備用于在電池外面進行充電。

當兩個端子之間的電路完成時，電池通過一系列的反應產(chǎn)生電流。陽極發(fā)生氧化反應，電解液中的兩個或兩個以上的離子與陽極結合產(chǎn)生一個化合物，釋放電子。與此同時，陰極通過還原反應，陰極物質(zhì)，離子和自由電子結合成化合物。簡而言之，陽極反應產(chǎn)生電子，而陰極的反應吸收它們，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。應用程序包括手機和筆記本電腦。鉛酸電池重，在大型電力應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)院設備和應急照明等方面很普遍。用于便攜式電子設備的電池。

鋰離子電池是在高能和最小重量的情況下使用的，但技術是脆弱的，需要保護電路來保證安全。應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合形成的蜂窩狀晶格結構，由于它所擁有的無數(shù)驚人的屬性，它被公認為是一種“神奇的材料”。它是電和熱能的有效導體，極輕的化學惰性，并且具有較大的表面積。它也被認為是環(huán)保和可持續(xù)的，有無限的可能性，無數(shù)的應用。

在電池領域，隨著石墨烯的增強，傳統(tǒng)的電池電極材料(以及預期電極材料)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到導電性的碳量負相關，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，但是電導率很低，可以用石墨烯作為一種結構的“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)。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，比如改進電動汽車行駛里程和效率的著名概念。

韓國高級科學技術研究所(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。華盛頓州立大學的研究人員正在研究以石墨烯為基礎的鈉離子電池，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構上支持的氧化錫納米晶體，以極大地改善電池的性能。