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“石墨烯電池”真的存在嗎 談石墨烯在鋰電池上的應用前景

2016-05-10

  筆者認為,不應全盤否認石墨烯鋰電的應用前景,哪怕只能提升電池性能的3%-5%,仍然值得研究。石墨烯未來有成本大幅下降的可能性,用于改善鋰離子電池的性能將具備性價比。

  2015年底,工信部等三部委聯合出臺《關于加快石墨烯產業創新發展的若干意見》,新材料將納入“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃,而石墨烯正是新材料領域的重點發展對象。

  與此同時,由于政策、補貼和資金等一系列因素的支持,以及技術進步和成本降低突破了臨界點,2015年中國新能源汽車及鋰離子電池產業鏈迎來了爆發式增長。2015年各類EV和PHEV總產量超過30萬臺,帶來了超過15GWh的動力電池需求量。

  在此背景下,石墨烯作為一種充滿想象力的材料,其在鋰離子電池和新能源汽車領域的應用就非常受人關注。以至于諸如《西班牙研發石墨烯電池8分鐘將電動汽車充滿電》、《韓國研發新型石墨烯電池電動汽車充電時間短至16秒》這種夸大其辭的新聞讓非專業人士充滿困惑。筆者下面將從石墨烯定義、生產方法、在鋰電池領域的應用等方面為讀者理清概念,去偽存真。

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  1. 什么是石墨烯和石墨烯微片?

  維基百科對石墨烯的定義:石墨烯(Graphene)是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜,只有一個碳原子厚度的二維材料。是目前發現的最薄、具有最大強度、彈性、最強導電導熱性能的一種新型納米材料,幾乎完全透明。

  百度百科對石墨烯微片的定義:石墨烯微片(Graphene Nanoplatelets)是指碳層數多于10層、厚度在5-100納米范圍內的超薄的石墨烯層狀堆積體。

  因此,石墨烯厚度只有一層碳原子,而石墨烯微片的碳層數多于10層。石墨烯微片不等于石墨烯,它的性能與真正意義上的石墨烯相差甚遠。石墨烯是以面積來度量的,以千克乃至噸來度量產量的是石墨烯微片??蒲袡C構、生產企業和投資者不應混淆這兩個概念。

  2. 石墨烯如何生產?

  石墨烯的主要生產方法有:機械剝離法、化學氣相沉積法(CVD)、氧化-還原法、溶劑剝離法等。

  大部分中國企業采用的氧化-還原法制備石墨烯,是由天然石墨經強酸氧化生成氧化石墨,經過超聲分散制備成氧化石墨烯,然后加入還原劑后得到石墨烯。但該方法制備的石墨烯一般是多層石墨烯或者石墨微晶。

  3. 石墨烯在鋰離子電池領域的應用

  鋰電行業對石墨烯在鋰離子電池的應用已經開展了許多研究,筆者根據公開文獻資料整理如下。

  石墨烯用于鋰電正極材料:1. 石墨烯對改善磷酸鐵鋰電池倍率性能的研究;2. 與磷酸錳鋰和磷酸釩鋰復合提高循環性能的研究。

  石墨烯用于鋰電負極材料:1. 石墨烯直接作為鋰離子電池負極;2. 石墨烯/SnO2復合材料作為鋰離子電池負極;石墨烯/Si復合材料作為鋰離子電池負極;石墨烯與Fe2O3、TiO2、Co3O4等復合作為鋰離子電池負極;3. 負極導電添加劑。

  無論是石墨烯改性正極材料還是與硅基、錫基材料以及過渡金屬化合物形成復合材料方面的研究,結論表明石墨烯的加入可改善復合材料的電化學性能,但提升幅度有限。另一方面,從商用角度來看,考慮材料成本、加工工藝、批次穩定性等因素,石墨烯大規模應用于鋰電充滿了挑戰。

  筆者對石墨烯在鋰離子電池的應用提出以下觀點,與業界分享:

  鋰離子電池之所以能夠在新能源汽車領域取得主導地位,源于過去幾十年持續改進技術,緩慢但不斷地提高性能。每一次性能提升的幅度雖然不大,但量變積累起來引起質變,終于實現了電動汽車的初步實用化。

  因此,石墨烯在鋰電的應用前景不應全盤否認,石墨烯(包括石墨烯微片)在鋰離子電池的應用仍然值得研究,哪怕只能提升電池性能的3%-5%。

  隨著石墨烯在其他領域應用研究的繼續開展,以及制備技術的成熟,石墨烯未來有成本大幅下降的可能性。在此基礎上,石墨烯用于提升鋰離子電池的性能將具備性價比。

  大部分類似于《西班牙研發石墨烯電池8分鐘將電動汽車充滿電》、《韓國研發新型石墨烯電池電動汽車充電時間短至16秒》之類的新聞,都是在實驗室里特定的條件下實現的片面的性能,現階段不具備工業化的可能性,由于技術變革和競爭,未來也很大概率不能實現工業化。

  現有商品化的“石墨烯電池”只是在鋰離子電池的基礎上通過石墨烯改進性能。“石墨烯電池”的概念是不準確的,有誤導之嫌。


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