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石墨烯应用到锂电池需要解决哪些问题?

默然
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楼主 发表于:2017-09-05 11:52:10
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近年来,随着新能源汽车和移动通讯设备的发展,利用石墨烯改进、提升动力、储能电池材料的性能,正成为业内关注的焦点。不管是出于炒作的目的还是科研成果的发布,一时间石墨烯电池新闻“铺天盖地”!但准确的来讲,目前市面上还没有一款真正意义上的“石墨烯电池”,基本上都是在材料中加入一点石墨烯,以提高锂电池的部分性能的石墨烯基锂离子电池。具体我们就来分析一下石墨烯在锂电池中到底能起什么作用。

 


据了解,石墨烯在电池领域的应用形式主要有这么几种:1、石墨烯单独用于正/负极材料;2、与其它新型负极材料,比如硅基和锡基材料以及过渡金属化合物形成复合材料;3、作为集流体或集流体涂层,用于提高电池功率特性。

 

通过以上资料来看,石墨烯在锂电池中的应用还真不少,现在我们就来分析一下石墨烯应用到锂电池需要解决哪些问题?

 

1、石墨烯直接作为正/负极材料

 

研究表明,纯石墨烯的充放电曲线跟高比表面积硬碳和活性炭材料非常相似,都具有高比表面无序碳材料的基本电化学特征,即首次循环库仑效率极低、充放电平台过高、电位滞后严重以及循环稳定性较差的缺点。

 

结构上来看,石墨烯的片状结构抑制锂离子的扩散,容易造成电池极化严重,这也导致了石墨烯的振实和压实密度都非常低,再加上石墨烯成本极其昂贵。综合来讲,不存在取代传统电极材料直接用作锂离子电池的可能性。

 

2、石墨烯复合材料电极

 

石墨烯与硅基和锡基材料以及过渡金属化合物形成复合材料电极。一方面来看,利用石墨烯的纳米间隙可以很好地解决硅和锡材料的膨胀碎裂,另一方面,相互协同作用可有效缓解团聚现象提高额外的储锂空间。

 

综合来讲,石墨烯复合材料做电极确实能改善复合材料的电化学性能,但考量材料成本、生产工艺、量产化可能,石墨烯复合材料电极做不到“一枝独秀”,毕竟花了大力气做出的材料性价比不高,也就没有实现产业化的必要。

 


3、石墨烯作为导电剂

 

其他方面来看,加入到导电剂能提高材料的循环性能和高倍率性能,效果明显高于天然石墨和乙炔黑,同时能将电芯内阻减小至最小,有效地解决了阻碍锂电池产品快速充电的技术瓶颈,同时大大延长了电池使用寿命,但高倍率性能不理想,难以广泛应用。

 

虽然理想很丰满,但现实总是很骨感,片层结构的石墨烯很难实现均匀分散,除此之外,石墨烯表面具有丰富的官能团,添加过多不仅会降低电池能量密度,而且会增加电解液吸液量,同时还会增加与电解液的副反应而影响循环性,甚至有可能带来安全性问题。

 

4、石墨烯应用于正极材料

 

研究表明,石墨烯作为辅料添加到正极材料中,可改善倍率和低温性能。但是此类研究的重复性不高,笔者查阅相关资料,有研究表明,石墨烯包覆磷酸铁锂只能微弱提高充电性能,效果还不如碳纳米管;而石墨烯包覆三元材料会使材料性能下降,若使用氧化石墨烯性能会略微改善。综合来讲,并不是特别理想。

 

总结


虽然石墨烯在锂电池中的应用目前并不可观,但今天的石墨烯并不等同于未来的石墨烯,马克思曾在其唯物辩证的哲学思想中提出:“新事物的发展经历着由小变大,由不完善到完善的过程,人们对新事物的认可也有一定过程,事物的发展方向虽然道路曲折迂回,但终归是前进的和上升的。”石墨烯的性能与其层数息息相关,倘若有一天能实现高质量单层石墨烯的量产,或许一切又会不一样。


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