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三星石墨烯电池研发成功?或许是炒作

2017年11月29日 09:49 次阅读

  三星成功研发出“石墨烯电池”这个新闻一出,瞬间吸引了大量的媒体和业界人士的关注。但事实真实是这样吗?据有关人士透露此“石墨烯电池”非彼石墨烯电池。三星的做法是否又是一场媒体炒作。

  最近一篇关于三星石墨烯电池文章甚嚣尘上,其实这已经不是所谓的“石墨烯”电池第一次进入人们的视野了,此前就有关于华为“石墨烯”电池的报道,只不过最后都证明,这只是借“石墨烯”的一场炒作,只是资本吸引人们眼球的策略。此次报道的三星“石墨烯”电池是否也是一场炒作,还是真正意义上的“石墨烯”电池呢?为此我们找到了报道中出现的三星“石墨烯”电池论文的原文,为大家做解读。

三星石墨烯电池研发成功?或许是炒作

  这篇来自三星的文章发表在著名的期刊——NatureCommuinicaTIon上,原文的题目如上图所示,该文的题目的中文翻译为《用于快速充电和高体积能量密度锂离子电池的石墨烯球》,从题目可以看到,这篇文章是关于锂离子电池材料的一篇论文。题目中提到的“石墨烯球”实际上是一种利用真空分解技术在SiOx颗粒的表面生长石墨烯而制成的小球,这种“石墨烯球”即可以涂布在高镍正极材料表面,抑制副反应发生,也可以作为负极材料单独使用。从上面的介绍可以看到,原文中提到的根本不是所谓的全新的“石墨烯”电池,而是一种采用石墨烯处理的电池材料。

  虽然这不是许多媒体口中的具有颠覆意义的“石墨烯电池”,自然谈不上取代锂离子电池了,但是从介绍来看,这仍然是一种优异的锂离子电池材料,特别是在提高锂离子电池快充性能方面,更是具有非常明显的优势,因此小编就带大家一起了解一下,这样一款高性能的锂离子电池材料。

  文章中的“石墨烯球”(GB)实际上是In Hyuk Son利用真空分解技术CVD,以CH4为碳源,在1000℃下与直径为20-30nm的SiO2发生反应,SiO2颗粒被还原成为SiOx,并且颗粒表面包覆了一层石墨烯,反应化学式如下所示。

三星石墨烯电池研发成功?或许是炒作

  这样一种材料,我们首先想到的就是作为负极材料,的确SiOx材料是目前最为成功的高容量负极材料,但是三星的科学家却另辟蹊径,将“石墨烯球”作为高镍正极材料的表面涂层材料,涂在NCM613上。三星这样做也有他们自己的理论:石墨烯作为一种具有良好导电性的材料,非常适合作为正极包覆材料,提高导电性,抑制副反应的发生,但是因为石墨烯片之间强烈的静电作用力使得其很容易发生团聚,从而导致石墨烯很难均匀的分散在正极材料的表面。“石墨烯球”能够很好的解决这一问题,即便是在1%的含量下也能够很好的分散在NCM613材料之中,在NCM颗粒表面形成一层保护层,提高材料的界面稳定性。

三星石墨烯电池研发成功?或许是炒作

  下图是采用“石墨烯球”进行包覆处理后的NCM613和没有经过包覆处理的材料的电化学性能测试结果。从下图a和b我们可以看到,经过“石墨烯球”处理后的NCM材料,在大倍率下放电能力明显高于没有经过处理的材料,特别时在25℃时,这种差别更加明显。从图c和图d中我们也可以注意到,在4.3V、4.4V和4.5V截止电压下,经过包覆处理后的NCM材料(实心球曲线)的循环性能要明显好于对照组,特别是在60℃高温,这一现象更加明显,这主要是因为均匀的“石墨烯球”包覆层很好的抑制了界面副反应的发生,从而阻止了NCM材料从“层状结构”向“岩盐结构”衰变,提高了NCM材料的循环性能。

  同时得益于“石墨烯球”良好的导电性,使得我们可以降低NCM电极中导电剂SP的用量,将活性物质的比例从92%提高到97%,这也极大的提高了NCM电极的体积比容量,从而提高了锂离子电池的体积能量密度。

三星石墨烯电池研发成功?或许是炒作

  除了作为NCM材料的涂层外,“石墨烯球”GB还能够单独作为一种负极材料使用,与GB-NCM(石墨烯球包覆NCM)使用,从而使锂离子电池获得快速充电的能力。作为负极材料的“石墨烯球”比容量可达716.2mAh/g(0.1C),在石墨烯良好的导电性的作用下,“石墨烯球”具有优异的倍率性能,在10C倍率下,仍然能够发挥240.6mAh/g的容量,是0.1C下容量的33.6%。“石墨烯球”不仅具有优异的倍率性能,在循环性能方面也表现优异,25℃下,5C倍率循环500次,容量保持率可达88%,60℃下,5C循环500次,容量保持率可达86.1%。在全电池中“石墨烯球”也表现出了良好的循环性能,特别是在60℃下,没有经过处理的NMC/石墨电池容量迅速衰降,但是GB-NCM/GB电池则保持了良好的循环性能(下图e)。

  当然“石墨烯球”作为负极材料时还面临一个问题,那就是首次库伦效率较低,这主要是因为石墨烯较大的比表面积,导致在低电势下副反应较多,消耗了较多的Li+。为了解决这一问题,In Hyuk Son在使用“石墨烯球”作为负极材料时,需要首先对其进行了预锂化处理,在目前负极预锂化技术还不成熟的前提下,首次效率较低也是需要我们认真考虑的问题。

三星石墨烯电池研发成功?或许是炒作

  从上面的介绍不难看出,所谓的三星“石墨烯电池”只不过是一个炒作的噱头,其实本质上只是一种石墨烯/SiOx复合纳米颗粒——“石墨烯球”,而且这种“石墨烯球”更加适合作为一种NCM材料的表面涂层材料,提高NCM材料的界面稳定性,提高循环性能;改善NCM材料的导电性,提高NCM的倍率性能,同时得益于石墨烯材料良好的导电性,能够显著的提高电极中正极活性物质的比例,提高锂离子电池的体积能量密度。

  虽然“石墨烯球”能够作为负极材料使用,并且也具有优异的倍率和循环性能,但是因为其首次效率低,必须配合补锂工艺使用,因此在现阶段补锂工艺还不成熟的前提下,“石墨烯球”是否适合作为锂离子电池负极材料还值得商榷。

  因此总的来说,这个材料更应该称作是“锂离子电池新型石墨烯添加剂”比较合适,而不是有的媒体所吹捧的“石墨烯电池”。

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