什么是石墨烯電池？石墨烯電池真的是偽科學(xué)嗎？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-04-07 08:14
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隨著節(jié)能減排、政府補(bǔ)貼等政策和需求的推動，當(dāng)前中國汽車市場正迎來新能源汽車發(fā)展的“黃金時代”。隨著新能源汽車的強(qiáng)勢刷屏，石墨烯鋰電池重新進(jìn)入人們視線。
所謂石墨烯電池，其實并非全新的技術(shù)，近幾年一直處于研發(fā)階段。應(yīng)該說其材料和工藝尚未完全成熟，我們看到的很多報道僅僅是科研報道，而非產(chǎn)品報道。
對于石墨烯電池，你怎么看？
石墨烯電池現(xiàn)在算是個偽命題，但懂得用石墨烯的確可以截長補(bǔ)短。
很多人不了解石墨烯，甚至認(rèn)為只有單層石墨烯才能稱作石墨烯。這也就是我為何不斷地進(jìn)行科普，從機(jī)理、應(yīng)用到標(biāo)準(zhǔn)，用更多實踐來證明他們都太武斷的目的。但不可諱言地說，石墨烯在現(xiàn)階段還是個「配角」角色，不過，這個配角卻有著打通任督二脈的功效，就看你怎么設(shè)計配套的石墨烯材料了。
在正式回答石墨烯電池的相關(guān)問題前，我們先來探討兩個情境：
第一，如果石墨烯成本降低到接近導(dǎo)電炭黑，但用量及功效卻更好，你會不會采用？
第二，如果在導(dǎo)電劑、硅碳負(fù)極、高鎳正極及隔膜都可以用石墨烯來達(dá)到更高性價比，這算不算是所謂的石墨烯電池？
坦言之，我們現(xiàn)在可以說是石墨烯「基」電池，畢竟摻入的量很少就可以有效。但換個角度來說，一旦鋰電池各個部件上都被石墨烯取代時，我們該怎么稱呼那時候的鋰電池呢？附帶一提的是，鋰離子電池還是會通過「鋰離子」來吸附/脫附，石墨烯是不可能取代鋰離子的角色。
志陽科技在2016年就用河南義騰新能源提供的聚丙烯基材分別摻入石墨烯/氧化石墨烯做成復(fù)材做驗證，通過驗證后在縱向/橫向抗拉強(qiáng)度分別提升29.6%及46.8%，而伸長率分別提升364.0%及213.0%，這個數(shù)據(jù)對隔膜廠是很大的技術(shù)突破。
另外，我們在2018年制備了石墨烯導(dǎo)電劑，金屬雜質(zhì)低于5ppm，與習(xí)用的KS6/SP導(dǎo)電劑相對比，效果提高了至少40%?；旧?，加入Super P與石墨烯用料比約 2:1，以目前導(dǎo)電劑進(jìn)價每噸5萬元來計算，石墨烯導(dǎo)電劑的性價比已經(jīng)可以完全取代炭黑導(dǎo)電劑了。
接著，在2018年也進(jìn)行了石墨烯包覆微米硅的硅碳負(fù)極，目前在扣式電池通過 100次循環(huán)下可穩(wěn)定達(dá)到574mAh/g，正安排后續(xù)進(jìn)行軟包循環(huán)測試，目前只剩下高鎳正極是最后一個鋰電池項目，而我們決定以石墨烯負(fù)載高鎳工藝作正極材料。在此同時，我們提供石墨烯薄膜給清華大學(xué)進(jìn)行鋰硫電池項目，為的是布局未來的石墨烯電池科技儲備我們不會缺席。
還是那句老話，如果你認(rèn)同從微觀上石墨烯是最好的材料，但在巨觀上你無法做技術(shù)突破，問題絕對不在石墨烯，而是出在你自己不懂石墨烯怎么用！
石墨烯又該怎么替鋰離子電池打通任督二脈呢？
撇開石墨烯鋰電池及石墨烯「基」鋰電池名詞上的爭議不談，在前面提到的隔膜項目，我們比較了石墨烯及氧化石墨烯，在相同滲濾閾值之機(jī)械性能以氧化石墨烯表現(xiàn)比較好，原因在機(jī)械性及導(dǎo)熱性強(qiáng)調(diào)「界面」，越強(qiáng)的鍵結(jié)力對這兩類性能有利，選擇共價鍵是最佳選擇。
反觀，導(dǎo)電劑卻要求高電導(dǎo)率及金屬雜質(zhì)少于10ppm，因為金屬離子（Fe、Co、Ni、Cr等）對電池的危害很大，所以很多石墨烯業(yè)者因為制備容器會釋出鐵離子就不達(dá)標(biāo)。而硅碳負(fù)極重點在石墨烯包覆納米硅，納米硅要求純度98%、1微米以內(nèi)。這幾個項目都是使用不同石墨烯并通過不同官能化才能做出不錯的成果，你光想把石墨烯當(dāng)作一種材料或萬靈丹，打從一開始你就錯了！
其實，更重要的是「成本」因素。幾年前先豐納米告訴我氧化石墨烯還原后每克成本要40元，這個才是無法取代現(xiàn)有產(chǎn)品的最大制約，各位想想看，你會因為是石墨烯就愿意多花幾塊錢去購買嗎？
所以，志陽一開始就決定以物理工藝制備石墨烯真的是歪打正著，不僅環(huán)保，而且因為不需要冷卻及還原，所以成本很低廉。不過，還是有些創(chuàng)業(yè)者魚目混珠，利用溶劑插層還說自己是物理制備工藝，這件事等到下次有機(jī)會再來點評。其實，這也很好判斷，你問他們用到酸、溶劑及水嗎？這攸關(guān)環(huán)保問題，想忽悠越來越難了！
石墨烯材料怎么滿足鋰電池在能量密度、充電時間及循環(huán)次數(shù)的要求
一般來說，石墨烯的壓實密度及振實密度偏低，使得在能量密度上不被看好。但石墨烯擁有良好的電導(dǎo)、熱導(dǎo)性，能讓鋰離子在石墨烯表面與電極間快速穿梭運(yùn)動，讓功率密度變成強(qiáng)項，這也是石墨烯電池大多被提到能夠做到「快充」的根據(jù)。
另外，石墨烯還有些像傳統(tǒng)碳材在首次循環(huán)的庫倫效率偏低、充放電平臺過高、電位滯后嚴(yán)重以及循環(huán)穩(wěn)定性較差等缺點，而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。
但這樣就真的不能做好石墨烯鋰電池嗎？
其實不然，在負(fù)極材料上我們選擇硅碳負(fù)極來改性，就是看到硅基負(fù)極主要有三個缺點：電子電導(dǎo)率及鋰離子擴(kuò)散系數(shù)低大大降低了倍率性能、形成不穩(wěn)定的 SEI 膜及硅在充放電過程之體積變化超過300%。而石墨烯穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)緩沖了硅晶格的膨脹，減少了鋰離子脫插過程對材料晶格的破壞，從而延長材料的循環(huán)壽命；
另一方面，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的石墨烯在復(fù)合材料中起到導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的作用，極大的提供高了鋰離子在材料的遷移速率，從而提高了材料的倍率性能。另外，還有一種做法是利用石墨烯微片包覆瀝青的碳，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計不太會出現(xiàn)鋰枝晶結(jié)構(gòu)，可有效延長電池壽命，并可達(dá)到快速充電的功能。
既然碳納米材料單獨(dú)作為負(fù)極材料存在不可逆容量高、電壓滯后等缺點，與其它負(fù)極材料復(fù)合使用是目前比較實際的選擇方案。所以，把石墨烯當(dāng)作「增益」材料，而不是一昧用本征石墨烯的角度來看鋰電池的技術(shù)突破，或許才能打開鋰電池技術(shù)一條新的道路。
