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石墨烯电池并不是石墨烯加上锂电池

2020-01-13 11:12 次阅读

与石墨相比,不具有层状结构的石墨烯用作锂电负极的产业化前景不乐观。从目前技术发展阶段来看,石墨烯电池尚未出现。不久前,某知名厂商在法国官方推特上发布消息,预告其将是第一个配备“石墨烯电池”的手机品牌,并指出这种电池比以前的型号充电速度更快、更耐用、更小巧。

虽然不久这则消息被删除,但这再次引起了人们对石墨烯及其在电池中所起作用的关注。那么,目前到底有没有“石墨烯电池”?当石墨烯遇到电池又会给我们带来哪些惊喜呢?

石墨烯电池并不是石墨烯加上锂电池

石墨烯+锂电池≠石墨烯电池

我们知道,锂电池由正极、负极、隔膜、电解液四大材料构成,目前主要应用的负极材料为石墨。而石墨烯是从石墨中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度(0.35纳米)的二维晶体,各项性能优于石墨,具有极强导电性、超高强度、高韧性、较高导热性能等,被誉为“新材料之王”。人们希望其取代石墨充当电池负极,或者用于锂电池其他关键材料,以期将锂电池的能量密度和功率密度大幅提高。

目前,很多人将含有石墨烯材料的电池称为“石墨烯电池”。“其实,称这些电池为石墨烯电池并不十分科学和严谨,并且这个概念也不符合行业命名原则,非行业共识。”天津大学化工学院教授杨全红在接受科技日报记者采访时指出,石墨烯因其独特的物理化学性质,已经在锂电池中展示出巨大的应用潜力。但是,作为一种碳纳米材料,石墨烯之于锂电池并未超出目前常用碳材料的作用范畴。虽然目前科技论文、企业产品等关于石墨烯提升锂电池性能的消息屡见不鲜,但其核心储能机理并未因石墨烯的加入而改变,因此将添加了石墨烯的锂电池称为石墨烯电池并不恰当。

此外,从专业的角度,电池即便以关键材料命名,也一般遵循“正极—负极活性材料”的规则,锂电池的充放电,由锂离子在正、负极材料中的嵌入和脱出来完成。因此,如果命名为石墨烯电池,则石墨烯应该是主要的电极材料,但现在石墨烯类似添加剂,在电池中的主要作用是提高电极的导电性或者导热/散热特性,并不是电池正负极的活性材料。因此并不能将这样的电池命名为石墨烯电池,而将之称为石墨烯基锂电池则更准确。

“从目前技术发展阶段来看,石墨烯电池尚未出现。石墨具有层状结构,这种结构给锂离子的嵌入设置了一个闸口,是锂电池具有充放电平台和高库仑效率的决定因素,也是其成为锂电池关键材料的重要因素之一。”杨全红说,相比而下,不具有层状结构的石墨烯用作锂电负极的产业化前景不乐观,纯石墨烯的充放电曲线与硬碳和活性炭材料非常相似,还有首次循环库仑效率低、没有充放电平台及循环稳定性差的缺点。因此,目前纯的石墨烯不存在取代石墨类材料直接用作锂电池负极的可能性。但石墨烯基复合材料有可能作为高性能电极材料推动锂电池产业的发展。

石墨烯电池并不是石墨烯加上锂电池

“添加剂”让电池性能提升

5G时代来临,人们迫切需要电池能够做到快速充放电、热传导快、能量密度高等性能。不可否认的是,‘添加剂’石墨烯能够使锂电池性能明显提升,部分解决目前的产业瓶颈。”杨全红表示。

据介绍,碳导电剂对于锂电池必不可少,但大量非活性、轻组分的碳导电剂会降低电池体积能量密度(单位体积储存的能量),这成为锂电池发展的重要瓶颈。杨全红说,将石墨烯用作锂电池导电剂,可以极大增加碳导电剂的单位碳原子导电效率,一改碳黑等传统导电添加剂“点—点”接触模式为“面—点”接触模式,可以构建“至柔至薄至密”的导电网络,大幅降低不贡献容量的碳导电剂用量,解决碳导电剂用量与高能量需求之间的矛盾,显著提高电池的体积能量密度和充放电性能

此外,由于石墨烯具有良好的热传导性质,目前主流手机厂商将石墨烯作为散热材料使用。作为热量的优良导体,石墨烯同高活性物质的有效接触、保护,一方面可降低电解液在其表面的副反应放热;另一方面对其充放电,特别是快速充放电产生的大量热可实现有效的热传递,降低电池工作过程中的热隐患与热失控,让整个电池体系的热循环更稳定。

迅猛发展的电动汽车和3C电子等移动智能终端应用,要求二次电池具有尽量小的体积和尽量高的体积能量密度。纳米技术使二次电池的质量能量密度和充放电速度大幅提高,但体积能量密度却很难通过纳米化技术提高。杨全红表示,纳米材料的致密化是使电极材料同时具有高的质量和体积性能的必由之路。石墨烯是碳材料的基本结构单元,近期的研究表明,基于胶体化学的石墨烯致密化技术,可以实现多孔碳纳米材料的致密化,就像将膨化食品转化为压缩饼干。这种技术在锂电池中最直接的应用就是,可以实现高性能硅碳电极的致密化,使单位体积锂电池的容量大幅增加,为消除电动汽车的里程焦虑和3C电子等智能终端电池的小型化提供解决方案。这可能成为未来石墨烯在提高锂电池性能方面的重要应用。

可能取代锂电池的技术

当今的移动世界已离不开锂电池。美国阿贡国家实验室能源存储联合研究中心负责人乔治·克拉布特里曾说:“这是有史以来最好的电池技术。”不过,许多研究者认为,锂电池的能量密度已经接近其天花板。

那么,未来会有哪些能够取代锂电池的技术?

据《科学美国人》杂志介绍,全球科研工作者正在努力探索不同的技术路线,如锂硫电池、镁电池、空气电池、液流电池等。

2013年,美国化学工程师埃尔顿·凯恩斯基于锂—硫技术研制出一种仅硬币大小的新型化学电池,在美国劳伦斯伯克利国家实验室经历1500次充放电循环后,电池容量只损失一半。据介绍,由于金属锂负极的使用,理论上锂—硫电池能量密度是锂电池的5倍多。制造电池的PolyPlus公司在实践中发现,增加硫和减少电解液会使电池更容易坏掉。不过英国Oxis能源公司看好锂—硫电池的前景,正在努力开发高能量密度且可应用于电动汽车的锂—硫电池。

一些研究者认为,相比锂,下一代电池应该使用更重的元素,比如镁。相比于一价的锂离子,二价的镁离子能携带两个电荷,这意味着可以释放的电能提高了一倍。不过,携带两个电荷的镁离子移动速度缓慢,难以通过电解液和电极,就像是在黏稠的糖浆中穿行。

美国劳伦斯伯克利国家实验室材料科学家克里斯廷·佩尔松和麻省理工学院材料科学家赫布兰德·塞德成立Pellion技术公司研发高容量镁电池。其2013年底公开的一大批专利表明,他们正在研发更开放的电极结构,促进镁离子快速传输。各大电子产品公司包括丰田、LG、三星和日立等,都在研发类似的镁电池。

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