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科技日報:天天喊石墨烯電池 其實都叫錯了

      2020-02-11       

《科技日報》 2020年1月13日 05版

視覺中國供圖

與石墨相比,不具有層狀結構的石墨烯用作鋰電負極的產業化前景不樂觀。從目前技術發展階段來看,石墨烯電池尚未出現。

不久前,某知名廠商在法國官方推特上發布消息,預告其將是第一個配備“石墨烯電池”的手機品牌,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注。那么,目前到底有沒有“石墨烯電池”?當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、負極、隔膜、電解液四大材料構成,目前主要應用的負極材料為石墨。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,各項性能優于石墨,具有極強導電性、超高強度、高韌性、較高導熱性能等,被譽為“新材料之王”。人們希望其取代石墨充當電池負極,或者用于鋰電池其他關鍵材料,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,稱這些電池為石墨烯電池并不十分科學和嚴謹,并且這個概念也不符合行業命名原則,非行業共識。”教育部長江學者、國家杰出青年科學基金獲得者、天津大學化工學院教授楊全紅在接受科技日報記者采訪時指出,石墨烯因其獨特的物理化學性質,已經在鋰電池中展示出巨大的應用潛力。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、企業產品等關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。

此外,從專業的角度,電池即便以關鍵材料命名,也一般遵循“正極—負極活性材料”的規則,鋰電池的充放電,由鋰離子在正、負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,則石墨烯應該是主要的電極材料,但現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電性或者導熱/散熱特性,并不是電池正負極的活性材料。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確。

“從目前技術發展階段來看,石墨烯電池尚未出現。石墨具有層狀結構,這種結構給鋰離子的嵌入設置了一個閘口,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鍵材料的重要因素之一。”楊全紅說,相比而下,不具有層狀結構的石墨烯用作鋰電負極的產業化前景不樂觀,純石墨烯的充放電曲線與硬碳和活性炭材料非常相似,還有首次循環庫侖效率低、沒有充放電平臺及循環穩定性差的缺點。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極的可能性。但石墨烯基復合材料有可能作為高性能電極材料推動鋰電池產業的發展。

“添加劑”讓電池性能提升

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

據介紹,碳導電劑對于鋰電池必不可少,但大量非活性、輕組分的碳導電劑會降低電池體積能量密度(單位體積儲存的能量),這成為鋰電池發展的重要瓶頸。楊全紅說,將石墨烯用作鋰電池導電劑,可以極大增加碳導電劑的單位碳原子導電效率,一改碳黑等傳統導電添加劑“點—點”接觸模式為“面—點”接觸模式,可以構建“至柔至薄至密”的導電網絡,大幅降低不貢獻容量的碳導電劑用量,解決碳導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性質,目前主流手機廠商將石墨烯作為散熱材料使用。作為熱量的優良導體,石墨烯同高活性物質的有效接觸、保護,一方面可降低電解液在其表面的副反應放熱;另一方面對其充放電,特別是快速充放電產生的大量熱可實現有效的熱傳遞,降低電池工作過程中的熱隱患與熱失控,讓整個電池體系的熱循環更穩定。

迅猛發展的電動汽車和3C電子等移動智能終端應用,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。納米技術使二次電池的質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提高。楊全紅表示,納米材料的致密化是使電極材料同時具有高的質量和體積性能的必由之路。石墨烯是碳材料的基本結構單元,近期的研究表明,基于膠體化學的石墨烯致密化技術,可以實現多孔碳納米材料的致密化,就像將膨化食品轉化為壓縮餅干。這種技術在鋰電池中最直接的應用就是,可以實現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用。

可能取代鋰電池的技術

當今的移動世界已離不開鋰電池。美國阿貢國家實驗室能源存儲聯合研究中心負責人喬治·克拉布特里曾說:“這是有史以來最好的電池技術。”不過,許多研究者認為,鋰電池的能量密度已經接近其天花板。

那么,未來會有哪些能夠取代鋰電池的技術?

據《科學美國人》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,美國化學工程師埃爾頓·凱恩斯基于鋰—硫技術研制出一種僅硬幣大小的新型化學電池,在美國勞倫斯伯克利國家實驗室經歷1500次充放電循環后,電池容量只損失一半。據介紹,由于金屬鋰負極的使用,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公司在實踐中發現,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,正在努力開發高能量密度且可應用于電動汽車的鋰—硫電池。

一些研究者認為,相比鋰,下一代電池應該使用更重的元素,比如鎂。相比于一價的鋰離子,二價的鎂離子能攜帶兩個電荷,這意味著可以釋放的電能提高了一倍。不過,攜帶兩個電荷的鎂離子移動速度緩慢,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驗室材料科學家克里斯廷·佩爾松和麻省理工學院材料科學家赫布蘭德·塞德成立Pellion技術公司研發高容量鎂電池。其2013年底公開的一大批專利表明,他們正在研發更開放的電極結構,促進鎂離子快速傳輸。各大電子產品公司包括豐田、LG、三星和日立等,都在研發類似的鎂電池。

科技日報:http://digitalpaper.stdaily.com/http_www.kjrb.com/kjrb/html/2020-01/13/content_438596.htm?div=-1

(編輯 焦德芳)

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