石墨烯聚合材料電池有哪些優(yōu)點(diǎn)呢？
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-06-12 21:05
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石墨烯被研究者和各大媒體譽(yù)為“新材料之王”，是人類已知強(qiáng)度高、韌性好、重量輕、透光率高、導(dǎo)電性佳的新型納米材料。
集萬千光芒于一身的石墨烯聚合電池，有著比能量高、充電速率快等優(yōu)點(diǎn)，正好是當(dāng)今電動汽車的痛點(diǎn)所在。比如早在2015年，華為瓦特實(shí)驗(yàn)室在日本第56屆日本電池大會上發(fā)布的一項(xiàng)快充技術(shù)，這款3000mAh的石墨烯電池僅需5分鐘，就可獲得高達(dá)48%的電量。
更有甚者，早在2014年，西班牙Graphenano公司就與西班牙科爾瓦多大學(xué)，合作研究出了首例石墨烯聚合材料電池。
按他們的說法，這款電池有著諸多優(yōu)點(diǎn)：
1. 一個(gè)石墨烯電池的比能量超過600wh/kg，儲電量是當(dāng)時(shí)市場最好產(chǎn)品的三倍，這個(gè)表現(xiàn)放在當(dāng)今都能呈碾壓態(tài)勢（比如目前比亞迪磷酸鐵鋰電池的單體能量密度為150~160Wh/kg、特斯拉最新的21700電池系統(tǒng)的能量密度在300Wh/kg左右）；
2. 單次續(xù)航里程可高達(dá)1000公里；
3. 單次完全充電僅需8分鐘以內(nèi)；
4. 使用壽命是傳統(tǒng)氫化電池的四倍，鋰電池的兩倍；
5. 重量僅為傳統(tǒng)電池的一半；
6. Graphenano表示，此款電池的成本比鋰電池低77%。
如果從實(shí)驗(yàn)室角度看，這些數(shù)據(jù)我并不十分懷疑，因?yàn)槭╇姵赜直环Q為“圈錢利器”或“論文利器”。不信去大學(xué)看看就知道了，研究這東西很好發(fā)文章，但真到實(shí)用階段，基本都啞火了。
驗(yàn)證這是不是故意貶低石墨烯電池，方法很簡單。比如距今已經(jīng)過去了4年之久，Graphenano公司再也沒出現(xiàn)在我們的視野中。
從其官網(wǎng)看，最新的新聞基本都是參加國家會議或石墨烯在其他產(chǎn)品上的應(yīng)用（比如牙科產(chǎn)品）。放著廣闊的電動汽車市場不要，賺醫(yī)學(xué)用品的錢，要么就是腦袋秀逗了，要么就是我們過分高估了他們的產(chǎn)品。
事實(shí)上就目前石墨烯在電池上的應(yīng)用來說，主要是和硅結(jié)合，所謂的石墨烯電池，本質(zhì)上還是屬于鋰電池。對鋰離子電池來說，石墨烯作為碳基負(fù)極材料，是沒有辦法從根本上改變鋰離子電池能量比數(shù)量級的。
在電池負(fù)極里面代替原來的石墨，雖然可以提升電池的整體容量和充電速度，但性能提升效果有限，并沒到上文所述那般強(qiáng)勢。
附：上圖為斯坦福大學(xué)崔屹教授團(tuán)隊(duì)在Nature Nanotechnology上發(fā)表的題目為“Air-stable and freestanding lithium alloy/graphene foil as an alternative to lithium metal anodes”的研究成果。即便如此，其性能也沒有達(dá)到碾壓的程度。
當(dāng)然，這并不是阻礙石墨烯電池面市的主要原因，量產(chǎn)化困難的主要原因在其內(nèi)部。
1. 全石墨烯電池成本十分高昂，而且制備難度大，幾乎不可能量產(chǎn)?，F(xiàn)在公布的一些驚人數(shù)據(jù)基本都來自純度極高的石墨烯電池，僅出現(xiàn)在概念階段或?qū)嶒?yàn)室內(nèi)；
2. “摻雜石墨烯電池”在鋰電池上的作用是導(dǎo)電劑或電極嵌鋰材料，但與傳統(tǒng)的導(dǎo)電碳和石墨低廉的成本相比，前者帶來的性能提升不足以吸引各廠家；
3. 石墨烯材料本身具有的高比表面積等性質(zhì)，與現(xiàn)在的鋰離子電池工業(yè)的技術(shù)體系無法相容；
4. 除此之外，比如其他材料的沖擊（比如硅在做負(fù)極上有著更高的理論容量）和分散工藝難度高等問題，都制約著它在鋰電池上的應(yīng)用。
首先，來聊聊這個(gè)問題存在的誤區(qū)。我身邊有好多課題組在做鋰電和石墨烯的相關(guān)研究，為了詳細(xì)的回答這個(gè)問題，今天午飯還特意跟相關(guān)領(lǐng)域的科研人員討論了這個(gè)話題，現(xiàn)在來為大家詳細(xì)的解答一下這個(gè)問題。首先糾正一下各位汽車達(dá)人的錯(cuò)誤之處主要在于沒有對摻雜石墨烯電池和全石墨烯電池進(jìn)行區(qū)分，而兩者的區(qū)別無論在工藝還是價(jià)格上都是天壤之別的。在科研界，全石墨烯電池的研究人員也并不多，至于為什么大家也不難想象了。除了，現(xiàn)在的熱點(diǎn)鋰離子電池，石墨烯作為電極材料應(yīng)用在儲能材料上的例子比比皆是，例鋁離子電池也廣泛的應(yīng)用了石墨烯材料（Advanced,Energy Materials, 2017, 1700051. Advanced Materials, 2017, 29, 1605958,etc),鈉離子電池（Journal of Materials Chemistry，2017,3179）等等，總覺得什么材料大家都想用石墨烯摻雜一下看看性能。以至于業(yè)界，直接將電極摻雜的石墨烯的石墨基儲能材料直接統(tǒng)稱為石墨烯電池，其實(shí)這種稱謂是有一定的誤導(dǎo)性的，因?yàn)槭┎⑽措姵夭牧系闹黧w。
什么是鋰電池，其工作原理是什么？
其實(shí)經(jīng)典的電化學(xué)命名規(guī)則，充電電池的命名應(yīng)該是正極在前、負(fù)極在后，這樣該電池體系應(yīng)該命名為“氧化鉆鋰-石墨充電電池”。但大家可以發(fā)現(xiàn)名字太難記了，由于充放電過程是通過鋰離子的移動實(shí)現(xiàn)的，日本人便將其命名為“鋰離子電池”，簡稱為“鋰電”。
一般來說，鋰離子電池主要包括正極、負(fù)極、隔膜和電解液四個(gè)組成部分。正極材料一般都是一些富鋰的層狀化合物，目前常見的商用正極材料主要有鈷酸鋰（LiCoO2）、錳酸鋰（LiMn2O4）、磷酸鐵鋰（LiFePO4）以及三元材料（LiMnxCo1-x-yNiyO2）等；而負(fù)極材料則主要是一些具有嵌鋰電位的單質(zhì)或者化合物，大致主要可以分為碳類負(fù)極材料和非碳類負(fù)極材料；隔膜主要是用來防止正負(fù)極的直接接觸而導(dǎo)致短路，一般為不導(dǎo)電的高強(qiáng)度薄膜化的聚烯烴多孔膜，如PP、PE、PP/PE、PP/PE/PP 等，它具有一定的孔徑和孔隙率，保證低電阻和高離子電導(dǎo)率。電解液是鋰離子在電池正負(fù)極傳輸?shù)妮d體，電解質(zhì)溶液通常使用的電解質(zhì)是LiPF6，LiClO4 等，溶劑主要有 EC、DMC、PC和ClMC等。
鋰離子電池充電時(shí)，Li+從正極的富鋰層狀化合物中脫出，通過電解液，透過隔膜嵌入到負(fù)極材料中，這時(shí)負(fù)極變成了富鋰狀態(tài)，正極為貧鋰狀態(tài)；而放電的過程則相反，Li+首先從負(fù)極材料中脫出，經(jīng)由電解液再返回到正極，此時(shí)電子經(jīng)外電路從負(fù)極流向正極，從而使整個(gè)充放電過程中的電荷達(dá)到守恒。由于Li+可以在正負(fù)極材料中反復(fù)地嵌入與脫出，使鋰電池可以被循環(huán)使用；而且如果用一些石墨類的負(fù)極材料代替了金屬鋰，可以避免了鋰枝晶的產(chǎn)生，從而提高了鋰離子電池的安全性能。下面是以LiFeO4作為鋰電池正極材料，碳類材料作為負(fù)極材料時(shí)的反應(yīng)方程式：
石墨烯如何在鋰離子電池上應(yīng)用？
石墨烯現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域的研究。在鋰離子電池研究領(lǐng)域也不例外，首先石墨烯的理論比容量比石墨更高，且鋰離子在其中的擴(kuò)散速率也比較快，但是其單獨(dú)作為負(fù)極材料時(shí)容量衰減較快，循環(huán)性能并不是很理想。所以，研究者更多地是將石墨烯應(yīng)用到對正負(fù)極材料的改性上，也就是制備石墨烯復(fù)合材料作為電極，所以這就是我在開頭說的全石墨烯電池和石墨烯電池的主要區(qū)別所在。
主要包括以下幾種：石墨烯基碳負(fù)極、石墨烯／硅負(fù)極、石墨烯／金屬氧化物負(fù)極、石墨稀／硫正極等。
石墨烯基鋰電池應(yīng)用前景
我認(rèn)為石墨烯材料這個(gè)泡沫現(xiàn)在確實(shí)被吹得太大了。特別是在電池行業(yè)，量產(chǎn)，走進(jìn)人們的生活的可能性微乎其微，主要原因如下：
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商業(yè)化要考慮的首要問題就是成本，在鋰電池中石墨烯主要起到的作用與傳統(tǒng)碳/石墨的作用是相似的，一是導(dǎo)電劑，二是可能做電極嵌鋰材料，但是原料價(jià)格相差成千上萬倍。
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工藝繁瑣，后處理污染嚴(yán)重，石墨烯比表面積大，受化學(xué)狀態(tài)影響巨大，批次穩(wěn)定性，循環(huán)壽命等眾多細(xì)致因素限制，生產(chǎn)工藝及其復(fù)雜，而且石墨烯生產(chǎn)需要用到大量的硫酸，后處理也很麻煩。
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石墨烯是可以做導(dǎo)電劑促進(jìn)快充放，雖然理論上可以提高倍率性能，但是如果分散工藝不到位混料不均，可能性質(zhì)反倒下降，得不償失。
所以，石墨烯摻雜鋰離子電池目前還無法廣泛的應(yīng)用，且由于工藝和成本等原因應(yīng)用前景堪憂，更別提全石墨烯電池了。
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總之，首先要說明的是，石墨烯電池取代鋰電池在中短期內(nèi)基本是不可能的；“摻雜石墨烯鋰電池”雖然有著一定的應(yīng)用前景，但收效并不大，完全不足以撼動現(xiàn)今的格局。
