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石墨烯在锂电池中担任什么角色?

责任编辑: admin 发布时间2017-11-29    点击数:19392 次
石墨烯的功能优异毋庸置疑,可是它是否就必定适宜用于锂离子电池呢?现在市面上声称的“石墨烯电池”是一个不精确的概念,精确的讲基本上都是在资料中参加一点石墨烯,以进步锂电池的部分功能,能够称为石墨烯基锂离子电池。不扫除实验室内有石墨烯作为负极资料制造锂电池或超级电容器,可是要求比较高。综上,石墨烯能够作为锂电池的调味品,可是作为主材就不太适宜了。

1石墨烯的结构和性质

物理结构:石墨烯,是由碳原子组成的单原子层平面薄膜,厚度仅为0.34纳米,单层厚度相当于头发丝直径的十五万分之一。是现在世界上已知的最轻浮、最坚硬的纳米资料,透光性好,能折叠。因为只要一层原子,电子的运动被约束在一个平面上,石墨烯也有着全新的电学特点。石墨烯比外表积约为2630m2/g,热导率为5000W/m˙k。

电学特性:石墨烯具有共同的载流子特性和无质量的狄拉克费米子特点。其电子迁移率可抵达2×105cm2/V˙s,约为硅中电子迁移率的140倍,砷化镓的20倍,温度稳定性高,电导率可达108Ω/m,面电阻约为31Ω/sq(310Ω/m2),比铜或银更低,是室温下导电最好的资料。

别的,石墨烯中电子载体和空穴载流子的半整数量子霍尔效应能够通过电场效果改动化学势而被调查到,而Novoselov等在室温条件下就调查到了石墨烯的这种量子霍尔效应。

2石墨烯在锂电池中的人物

正是因为石墨烯有以上的纳米尺度效应、具有极大的比外表积、杰出的导电性以及优异的机械功能等特性,石墨烯被世界各地科学家广泛研讨,并制造出了“石墨烯锂电池”这样的概念,石墨烯是以什么人物参加到锂电池中的呢?

1.负极资料

石墨烯因为其共同的二维结构、优异的电子传输才能以及超大的比外表积等优势极有潜力代替石墨成为新一代锂离子电池负极资料。石墨烯的储锂机制与其他碳资料类似,充电时锂离子从正极脱出通过电解质嵌入碳资料层间构成构成Li2C6,放电时锂离子脱出返回正极。因为石墨烯的特别二维结构,当其片层距离大于0.7nm时,石墨烯的双面都能够存储锂离子,一起因为石墨烯有褶皱存在也能够进行存锂,所以理论上其容量可能是石墨的两倍,高于744mAh/g。

别的,石墨烯多为微纳米尺度,远小于体相石墨,使得Li离子的涣散途径变短,石墨烯的层距离一般也远远大于石墨,也为锂离子的传输供给了更多的通道。因此较之石墨,以石墨烯为负极更有利于进步电池功能。从石墨烯电池的概念提出以来,许多学术研讨成果标明石墨烯锂电池可逆容量可达500mAh/g以上,以及具有超卓的倍率功能。实验室条件下制备的锂电负极多选用CVD法、水合肼复原、真空抽滤和冷冻干燥法等等制备石墨烯,或为片状或为空心球状,各不相同。

2.石墨烯作为导电剂

导电剂的首要效果是进步电子电导率,因为电解液是离子导电的,而电子是无法传导的,故导电剂是促进电子快速穿过活物质抵达集流体。别的,导电剂也能够进步极片加工性,促进电解液对极片的滋润,下降电阻率,然后进步锂电池的运用寿命。

现在常用的导电剂有SP、乙炔黑等,传统炭黑为球状,将其与活物质混合时更易彼此混合均匀,可是其触摸形式为点点触摸,约束了导电效果的发挥,添加了导电剂添加量。而是石墨烯是片状结构,与活性物质的触摸为点-面触摸,能够最大化的发挥导电剂等效果,削减导电剂的用量,然后能够多运用活性物质,进步锂电池容量。可是石墨烯的片状也是它的坏处地点,片状的石墨烯在溶剂中更难涣散,更易聚会在一起,反倒需求添加石墨烯的用量。一起,其片状结构不利于锂离子的涣散,形成电芯内阻增大,电池失效加速。

理论上,石墨烯的超快导电功能够进步电池的倍率功能,可是事实是石墨烯的单片层成果阻止了锂离子的涣散,尤其是在大倍率充放电时电池内部极化加剧,电池放电容量下降。相关研讨标明,在低倍率放电条件下,用石墨烯部分代替导电炭黑能够必定程度上下降导电剂用量,进步电池能量密度,过犹不及。

3石墨烯锂电池产业化进程?

实验室和研制条件下制备的石墨烯负极资料和石墨烯导电剂的成功比如为工业生产中石墨烯锂离子电池的产品化供给了雄厚的科研基础,那么实际中的石墨烯锂电池是什么状况呢?

第一款产品是东旭光电于2016年推出的产品“烯王”。2016年7月8日,东旭光电在钓鱼台举办了石墨烯基锂离子电池产品发布会,推出了世界首款石墨烯基锂离子电池产品——“烯王”。

第二款产品是2016年12月HUAWEI推出的业界首个高温长寿命石墨烯助力的锂电池。石墨烯助力的高温锂离子电池技能打破首要来自三个方面:在电解液中参加特别添加剂,除掉痕量水,防止电解液的高温分化;电池正极选用改性的大单晶三元资料,进步资料的热稳定性;一起,选用新型资料石墨烯,可实现锂离子电池与环境间的高效散热。

第三款产品是传媒所说的东旭光电和贝斯特做的“国产石墨烯电池”,事实是石墨烯用在了隔阂上……

当然,市面上不断的有各种石墨烯锂电池专利被爆出来,可是也仅仅停留在专利阶段。包含SAMSUNG、松下、LG等等都有石墨烯的相关专利申请。现在市面上还没有企业对石墨烯基锂离子电池进行量产。

4总结一下

石墨烯的功能优异毋庸置疑,可是它是否就必定适宜用于锂离子电池呢?以小编浅见,石墨烯并不适宜用于锂离子电池,考虑如下:

1.本钱问题

运用石墨烯作为导电剂本钱比一般的炭黑高多了,锂电池的本钱是关键的操控要素,不下降原资料的本钱,即便石墨烯电学功能再好,一吨几十万的本钱耗费电池厂家也用不起。

2.工艺问题

石墨烯的片状结构带来的工艺问题首要是电极浆料的制备。电极浆料要求具有很好的流动性、涣散性和适宜的粘度。片状石墨烯在电极浆料中的涣散是个很扎手的问题,尤其是电极浆料无法添加涣散剂来助涣散。石墨烯的外表积很大,关于浆料的沉降稳定性有很大的影响,且无法确保各批次一致性,影响电池功能。

3.其它要素

石墨烯的片状结构按捺锂离子的涣散,容易形成电池极化严重,形成电池容量下降。石墨烯外表丰厚的官能团就是石墨烯外表的小伤口,添加过多不只会下降电池能量密度,并且会添加电解液吸液量,别的一方面还会添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。

现在市面上声称的“石墨烯电池”是一个不精确的概念,精确的讲基本上都是在资料中参加一点石墨烯,以进步锂电池的部分功能,能够叫为石墨烯基锂离子电池。不扫除实验室内有石墨烯作为负极资料制造锂电池或超级电容器,可是要求比较高。综上,石墨烯能够作为锂电池的调味品,可是作为主材就不太适宜了。



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