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從目前技術(shù)發(fā)展階段來看,石墨烯電池尚未出現(xiàn)

2020-01-13 08:31  來源:科技日報(bào)  瀏覽:  

與石墨相比,不具有層狀結(jié)構(gòu)的石墨烯用作鋰電負(fù)極的產(chǎn)業(yè)化前景不樂觀。從目前技術(shù)發(fā)展階段來看,石墨烯電池尚未出現(xiàn)。

不久前,某知名廠商在法國官方推特上發(fā)布消息,預(yù)告其將是第一個(gè)配備“石墨烯電池”的手機(jī)品牌,并指出這種電池比以前的型號充電速度更快、更耐用、更小巧。雖然不久這則消息被刪除,但這再次引起了人們對石墨烯及其在電池中所起作用的關(guān)注。那么,目前到底有沒有“石墨烯電池”?當(dāng)石墨烯遇到電池又會給我們帶來哪些驚喜呢?

石墨烯+鋰電池≠石墨烯電池

我們知道,鋰電池由正極、負(fù)極、隔膜、電解液四大材料構(gòu)成,目前主要應(yīng)用的負(fù)極材料為石墨。而石墨烯是從石墨中剝離出來、由碳原子組成的只有一層原子厚度(0.35納米)的二維晶體,各項(xiàng)性能優(yōu)于石墨,具有極強(qiáng)導(dǎo)電性、超高強(qiáng)度、高韌性、較高導(dǎo)熱性能等,被譽(yù)為“新材料之王”。人們希望其取代石墨充當(dāng)電池負(fù)極,或者用于鋰電池其他關(guān)鍵材料,以期將鋰電池的能量密度和功率密度大幅提高。

目前,很多人將含有石墨烯材料的電池稱為“石墨烯電池”。“其實(shí),稱這些電池為石墨烯電池并不十分科學(xué)和嚴(yán)謹(jǐn),并且這個(gè)概念也不符合行業(yè)命名原則,非行業(yè)共識。”教育部長江學(xué)者、國家杰出青年科學(xué)基金獲得者、天津大學(xué)化工學(xué)院教授楊全紅指出,石墨烯因其獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì),已經(jīng)在鋰電池中展示出巨大的應(yīng)用潛力。但是,作為一種碳納米材料,石墨烯之于鋰電池并未超出目前常用碳材料的作用范疇。雖然目前科技論文、企業(yè)產(chǎn)品等關(guān)于石墨烯提升鋰電池性能的消息屢見不鮮,但其核心儲能機(jī)理并未因石墨烯的加入而改變,因此將添加了石墨烯的鋰電池稱為石墨烯電池并不恰當(dāng)。

此外,從專業(yè)的角度,電池即便以關(guān)鍵材料命名,也一般遵循“正極—負(fù)極活性材料”的規(guī)則,鋰電池的充放電,由鋰離子在正、負(fù)極材料中的嵌入和脫出來完成。因此,如果命名為石墨烯電池,則石墨烯應(yīng)該是主要的電極材料,但現(xiàn)在石墨烯類似添加劑,在電池中的主要作用是提高電極的導(dǎo)電性或者導(dǎo)熱/散熱特性,并不是電池正負(fù)極的活性材料。因此并不能將這樣的電池命名為石墨烯電池,而將之稱為石墨烯基鋰電池則更準(zhǔn)確。

“從目前技術(shù)發(fā)展階段來看,石墨烯電池尚未出現(xiàn)。石墨具有層狀結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)給鋰離子的嵌入設(shè)置了一個(gè)閘口,是鋰電池具有充放電平臺和高庫侖效率的決定因素,也是其成為鋰電池關(guān)鍵材料的重要因素之一。”楊全紅說,相比而下,不具有層狀結(jié)構(gòu)的石墨烯用作鋰電負(fù)極的產(chǎn)業(yè)化前景不樂觀,純石墨烯的充放電曲線與硬碳和活性炭材料非常相似,還有首次循環(huán)庫侖效率低、沒有充放電平臺及循環(huán)穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)。因此,目前純的石墨烯不存在取代石墨類材料直接用作鋰電池負(fù)極的可能性。但石墨烯基復(fù)合材料有可能作為高性能電極材料推動(dòng)鋰電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

“添加劑”讓電池性能提升

“5G時(shí)代來臨,人們迫切需要電池能夠做到快速充放電、熱傳導(dǎo)快、能量密度高等性能。不可否認(rèn)的是,‘添加劑’石墨烯能夠使鋰電池性能明顯提升,部分解決目前的產(chǎn)業(yè)瓶頸。”楊全紅表示。

據(jù)介紹,碳導(dǎo)電劑對于鋰電池必不可少,但大量非活性、輕組分的碳導(dǎo)電劑會降低電池體積能量密度(單位體積儲存的能量),這成為鋰電池發(fā)展的重要瓶頸。楊全紅說,將石墨烯用作鋰電池導(dǎo)電劑,可以極大增加碳導(dǎo)電劑的單位碳原子導(dǎo)電效率,一改碳黑等傳統(tǒng)導(dǎo)電添加劑“點(diǎn)—點(diǎn)”接觸模式為“面—點(diǎn)”接觸模式,可以構(gòu)建“至柔至薄至密”的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),大幅降低不貢獻(xiàn)容量的碳導(dǎo)電劑用量,解決碳導(dǎo)電劑用量與高能量需求之間的矛盾,顯著提高電池的體積能量密度和充放電性能。

此外,由于石墨烯具有良好的熱傳導(dǎo)性質(zhì),目前主流手機(jī)廠商將石墨烯作為散熱材料使用。作為熱量的優(yōu)良導(dǎo)體,石墨烯同高活性物質(zhì)的有效接觸、保護(hù),一方面可降低電解液在其表面的副反應(yīng)放熱;另一方面對其充放電,特別是快速充放電產(chǎn)生的大量熱可實(shí)現(xiàn)有效的熱傳遞,降低電池工作過程中的熱隱患與熱失控,讓整個(gè)電池體系的熱循環(huán)更穩(wěn)定。

迅猛發(fā)展的電動(dòng)汽車和3C電子等移動(dòng)智能終端應(yīng)用,要求二次電池具有盡量小的體積和盡量高的體積能量密度。納米技術(shù)使二次電池的質(zhì)量能量密度和充放電速度大幅提高,但體積能量密度卻很難通過納米化技術(shù)提高。楊全紅表示,納米材料的致密化是使電極材料同時(shí)具有高的質(zhì)量和體積性能的必由之路。石墨烯是碳材料的基本結(jié)構(gòu)單元,近期的研究表明,基于膠體化學(xué)的石墨烯致密化技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)多孔碳納米材料的致密化,就像將膨化食品轉(zhuǎn)化為壓縮餅干。這種技術(shù)在鋰電池中最直接的應(yīng)用就是,可以實(shí)現(xiàn)高性能硅碳電極的致密化,使單位體積鋰電池的容量大幅增加,為消除電動(dòng)汽車的里程焦慮和3C電子等智能終端電池的小型化提供解決方案。這可能成為未來石墨烯在提高鋰電池性能方面的重要應(yīng)用。

可能取代鋰電池的技術(shù)

當(dāng)今的移動(dòng)世界已離不開鋰電池。美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室能源存儲聯(lián)合研究中心負(fù)責(zé)人喬治·克拉布特里曾說:“這是有史以來最好的電池技術(shù)。”不過,許多研究者認(rèn)為,鋰電池的能量密度已經(jīng)接近其天花板。

那么,未來會有哪些能夠取代鋰電池的技術(shù)?

據(jù)《科學(xué)美國人》雜志介紹,全球科研工作者正在努力探索不同的技術(shù)路線,如鋰硫電池、鎂電池、空氣電池、液流電池等。

2013年,美國化學(xué)工程師埃爾頓·凱恩斯基于鋰—硫技術(shù)研制出一種僅硬幣大小的新型化學(xué)電池,在美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室經(jīng)歷1500次充放電循環(huán)后,電池容量只損失一半。據(jù)介紹,由于金屬鋰負(fù)極的使用,理論上鋰—硫電池能量密度是鋰電池的5倍多。制造電池的PolyPlus公司在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn),增加硫和減少電解液會使電池更容易壞掉。不過英國Oxis能源公司看好鋰—硫電池的前景,正在努力開發(fā)高能量密度且可應(yīng)用于電動(dòng)汽車的鋰—硫電池。

一些研究者認(rèn)為,相比鋰,下一代電池應(yīng)該使用更重的元素,比如鎂。相比于一價(jià)的鋰離子,二價(jià)的鎂離子能攜帶兩個(gè)電荷,這意味著可以釋放的電能提高了一倍。不過,攜帶兩個(gè)電荷的鎂離子移動(dòng)速度緩慢,難以通過電解液和電極,就像是在黏稠的糖漿中穿行。

美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)家克里斯廷·佩爾松和麻省理工學(xué)院材料科學(xué)家赫布蘭德·塞德成立Pellion技術(shù)公司研發(fā)高容量鎂電池。其2013年底公開的一大批專利表明,他們正在研發(fā)更開放的電極結(jié)構(gòu),促進(jìn)鎂離子快速傳輸。各大電子產(chǎn)品公司包括豐田、LG、三星和日立等,都在研發(fā)類似的鎂電池。

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