對比超級電容器和電池，如圖所示的表面介導電池有三種不同的電極厚度，既有高功率密度，也有高能量密度。來源：美國化學學會
從哪方面看，它都像是一項電池技術的突破，只是它不是電池。納米技術儀器股份有限公司（Nanotek Instruments, Inc.）及其附屬公司，俄亥俄州（Ohio）代頓（Dayton）的安格斯特朗材料股份有限公司（Angstron Materials, Inc.）的研究人員，開發(fā)出一種新規(guī)范，用于設計儲能設備，這種設備依賴于使大量鋰離子快速穿梭在電極之間，這種電極具有很大的石墨烯表面。這種能量存儲裝置可以證明對電動汽車非常有用，它可以減少充電時間，從數(shù)小時縮短到不到一分鐘。其他應用可能包括可再生能源儲存（例如，儲存太陽能和風能）和智能電網(wǎng)。
研究人員稱，這種新設備是“石墨烯表面功能的鋰離子交換電池”，或更簡單地說，是“表面介導電池”（SMCS：surface-mediated cells）。雖然目前的設備使用未優(yōu)化的材料和結(jié)構(gòu)，但是，它們已經(jīng)可以超越鋰離子電池和超級電容器。這種新設備可以提供每公斤電池100千瓦的功率密度，比商業(yè)化鋰離子電池高100倍，比超級電容器高10倍。功率密度越高，能量轉(zhuǎn)移速度越快（會導致更快的充電速度）。此外，這種新電池可以儲存的能量密度為每公斤電池160瓦時，可媲美商業(yè)化鋰離子電池，比傳統(tǒng)超級電容器高30倍。能量密度越大，相同體積的設備可以存儲的能量越多（帶來電動汽車更長的行駛里程）。
“假如有相同的設備重量，目前的表面介導電池和鋰離子電池可以為電動汽車提供類似的行駛里程，”納米儀器公司和安格斯特朗材料公司聯(lián)合創(chuàng)始人姜•鮑爾茲（Bor Z. Jang）說，我們的表面介導電池就像目前的鋰離子電池一樣，可進一步提高能量密度，因此同樣可以提高行程。然而，在原則上，表面介導電池可以在幾分鐘內(nèi)充電（可能不到一分鐘），而不是數(shù)小時，就像目前電動汽車使用的鋰離子電池那樣。”
姜•鮑爾茲和他在納米技術儀器公司和安格斯特朗材料公司的合作者，已經(jīng)發(fā)表了這項研究，就是對下一代能量存儲設備的研究，就發(fā)表在最近一期的《納米快報》（Nano Letters）上。兩家公司都專門從事納米材料的商業(yè)化，安格斯特朗公司是世界上最大的納米石墨烯片晶（NGPs：nano graphene platelets）生產(chǎn)商。
正如研究人員在他們的研究中解釋說，在能量存儲上，電池和超級電容器都有各自的長處和弱點。雖然鋰離子電池的能量密度（120-150瓦時/公斤電池）比超級電容器（5瓦時/ 公斤電池）高得多，但是，這種電池具有低得多的功率密度（1千瓦/ 公斤電池，對比10千瓦/ 公斤電池）。許多研究小組做出努力，以增加鋰離子電池的功率密度，提高超級電容器的能量密度，但是，這兩個領域仍然具有重大的挑戰(zhàn)。因為提供了一個全新的框架，可用于儲能裝置，所以，這種表面介導電池使研究人員能夠繞過這些挑戰(zhàn)。
“開發(fā)這種新的儲能裝置，縮小了鋰離子電池和超級電容器性能上的差距，”姜•鮑爾茲說。 “更重要的是，這一根本上新的框架，用于制造儲能裝置，使研究人員既可以實現(xiàn)高能量密度，也可以實現(xiàn)高功率密度，而不必犧牲一個來換取另一個。”
表面介導電池電極有很大表面積，使大量離子在電極之間快速穿梭，帶來快速的充電時間。來源：美國化學學會
表面介導電池性能的關鍵，是陰極和陽極都包含非常大的石墨烯表面。在制造電池時，研究人員把鋰金屬（以粒子或金屬箔的形式）放在陽極。在首次放電周期，鋰被離子化，帶來的鋰離子數(shù)量，比在鋰離子電池中要大得多。在電池被使用時，這些離子通過液體電解質(zhì)遷移到陰極，進入陰極中的孔穴，到達陰極內(nèi)很大的石墨烯表面。在充電過程中，大量的鋰離子通量迅速從陰極遷移到陽極。很大的電極表面積，使大量離子在電極之間快速穿梭，產(chǎn)生很高的功率和能量密度。
研究人員解釋說，“多孔電極表面（而不是在塊狀電極中，就像電池中那樣）之間的鋰離子交換，完全不需要耗時的插層過程。在這個過程中，鋰離子必須插入電極之間，這就構(gòu)成了主要的電池充電時間。
在這項研究中，雖然研究人員采用大量不同類型的石墨，制備了不同類型的石墨烯（氧化的，降低的單層和多層石墨烯），但是，需要進一步分析這些材料和配置，以優(yōu)化這種設備。一方面，研究人員計劃進一步研究這種電池的循環(huán)壽命。到目前為止，他們發(fā)現(xiàn)，這些設備在經(jīng)過1000次循環(huán)后，可以保留95％的容量，甚至在2000次循環(huán)后，仍然沒有表現(xiàn)出枝蔓晶（dendrite）形成的跡象。研究人員還計劃探討，不同的鋰存儲機制對設備性能的相對作用。
“我們估計，表面介導電池技術的商業(yè)化不會有什么大的障礙，”姜•鮑爾茲說。“雖然目前石墨烯是高價出售，但是，安格斯特朗材料公司正在積極擴大石墨烯生產(chǎn)能力。預計在未來1-3年，石墨的生產(chǎn)成本將顯著降低。”
