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石墨烯在鋰電池上的應(yīng)用前景渺茫

作者: 時間:2016-08-22 來源:電源技術(shù)雜志 收藏
編者按:未來石墨烯在鋰離子電池上的應(yīng)用前景微乎其微的,相比于鋰離子電池,石墨烯在超級電容器尤其是微型超級電容器方面的應(yīng)用前景似乎稍微靠譜一點點,但是我們?nèi)匀灰獙σ恍W(xué)術(shù)界的炒作保持警惕,目前所標(biāo)榜的石墨烯電池并不存在,炒作這個概念其噱頭意義遠(yuǎn)大于實用價值。

  當(dāng)前“電池”這一名詞很火熱。事實上,國際鋰電學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界并沒有“電池”這個提法。筆者搜索維基百科,也沒有發(fā)現(xiàn)“graphenebattery”或者“grapheneLi-ionbattery”這兩個詞條的解釋。

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/201608/295812.htm

  根據(jù)美國Graphene-info這個比較權(quán)威的網(wǎng)站的介紹,“石墨烯電池”的定義是在電極材料中添加了石墨烯材料的電池。在筆者看來,這個解釋顯然是誤導(dǎo)。根據(jù)經(jīng)典的電化學(xué)命名法,一般智能手機使用的鋰離子電池應(yīng)該命名為“鈷酸鋰-石墨電池”。

  之所以稱為“鋰離子電池”,是因為SONY在1991年將鋰離子電池投放市場的時候,考慮到經(jīng)典命名法太過復(fù)雜一般人記不住,并且充放電過程是通過鋰離子的遷移來實現(xiàn)的,體系中并不含金屬鋰,因此就稱為“Lithiumionbattery”。最終“鋰離子電池”這個名稱被全世界廣泛接受,這也體現(xiàn)了SONY在鋰電領(lǐng)域的特殊貢獻(xiàn)。

  目前,幾乎所有的商品鋰離子電池都采用石墨類負(fù)極材料,在負(fù)極性能相似的情況下,鋰離子電池的性能很大程度上取決于正極材料,所以現(xiàn)在鋰離子電池也有按照正極來稱呼的習(xí)慣。比如,磷酸鐵(BYD所謂的“鐵電池”不在筆者討論范疇)、鈷酸、錳酸、三元電池等,都是針對正極而言的。

  那么以后如果電池負(fù)極用硅材料,會不會叫做硅電池?也許可能吧。但不管怎么樣,誰起主要作用就用誰命名。照此推算,如果要叫石墨烯電池一定要是石墨烯起主要電化學(xué)作用的電池。就好比添加了炭黑的鈷酸鋰電池,總不能叫炭黑電池吧?為了進(jìn)一步澄清“石墨烯電池”的概念問題,我們先總結(jié)一下石墨烯在鋰離子電池中可能(僅僅是可能性)的應(yīng)用領(lǐng)域。

  ·負(fù)極:1、石墨烯單獨用于負(fù)極材料;2、與其它新型負(fù)極材料,比如硅基和錫基材料以及過渡金屬化合物形成復(fù)合材料;3、負(fù)極導(dǎo)電添加劑。

  ·正極:主要是用作導(dǎo)電劑添加到磷酸鐵鋰正極中,改善倍率和低溫性能;也有添加到磷酸錳鋰和磷酸釩鋰提高循環(huán)性能的研究。

  ·石墨烯功能涂層鋁箔:其實際性能跟普通碳涂覆鋁箔(A123聯(lián)合漢高開發(fā))并無多少提高,反倒是成本和工藝復(fù)雜程度增加不少,該技術(shù)商業(yè)化的可能性很低。

  從上面的分析可以很清楚地看到,石墨烯在鋰離子電池里面可能發(fā)揮作用的領(lǐng)域只有兩個:直接用于負(fù)極材料和用于導(dǎo)電添加劑。

  用作鋰電負(fù)極產(chǎn)業(yè)化前景渺茫

  我們先討論下石墨烯單獨用做鋰電負(fù)極材料的可能性。純石墨烯的充放電曲線跟高比表面積硬碳和活性炭材料非常相似,都具有首次循環(huán)庫侖效率極低、充放電平臺過高、電位滯后嚴(yán)重以及循環(huán)穩(wěn)定性較差的缺點,這些問題其實都是高比表面無序碳材料的基本電化學(xué)特征。

  石墨烯的振實和壓實密度都非常低,成本極其昂貴,根本不存在取代石墨類材料直接用作鋰離子電池負(fù)極的可能性。既然單獨使用石墨烯作為負(fù)極不可行,那么石墨烯復(fù)合負(fù)極材料呢?

  石墨烯與其它新型負(fù)極材料,比如硅基和錫基材料以及過渡金屬化合物形成復(fù)合材料,是當(dāng)前“納米鋰電”最熱門的研究領(lǐng)域,在過去數(shù)年發(fā)表了上千篇paper。復(fù)合的原理,一方面是利用石墨烯片層柔韌性來緩沖這些高容量電極材料在循環(huán)過程中的體積膨脹,另一方面石墨烯優(yōu)異的導(dǎo)電性能可以改善材料顆粒間的電接觸降低極化,這些因素都可以改善復(fù)合材料的電化學(xué)性能。

  但是,并不是說僅僅只有石墨烯才能達(dá)到改善效果,筆者的實踐經(jīng)驗表明,綜合運用常規(guī)的碳材料復(fù)合技術(shù)和工藝,同樣能夠取得類似甚至更好的電化學(xué)性能。比如Si/C復(fù)合負(fù)極材料,相比于普通的干法復(fù)合工藝,復(fù)合石墨烯并沒有明顯改善材料的電化學(xué)性能,反而由于石墨烯的分散性以及相容性問題而增加了工藝的復(fù)雜性而影響到批次穩(wěn)定性。

  如果綜合考量材料成本、生產(chǎn)工藝、加工性和電化學(xué)性能,筆者認(rèn)為,石墨烯或者石墨烯復(fù)合材料實際用于鋰電負(fù)極的可能性很小產(chǎn)業(yè)化前景渺茫。



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