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首页 > 电池资讯 > 电池行情 > 石墨烯起主要电化学作用的电池

石墨烯起主要电化学作用的电池

类别:电池行情    2018-04-16

  那么以后如果电池负极用硅材料,会不会叫做硅电池?也许可能吧。但不管怎么样,谁起主要作用就用谁命名。照此推算,如果要叫石墨烯电池一定要是石墨烯起主要电化学作用的电池。就好比添加了炭黑的钴酸锂电池,总不能叫炭黑电池吧?

  为了进一步澄清“石墨烯电池”的概念问题,我们先总结一下石墨烯在锂离子电池中可能(仅仅是可能性)的应用领域。

  ·负极:1、石墨烯单独用于负极材料;2、与其它新型负极材料,比如硅基和锡基材料以及过渡金属化合物形成复合材料;3、负极导电添加剂。

  ·正极:主要是用作导电剂添加到磷酸铁锂正极中,改善倍率和低温性能;也有添加到磷酸锰锂和磷酸钒锂提高循环性能的研究。

  ·石墨烯功能涂层铝箔,其实际性能跟普通碳涂覆铝箔(A123联合汉高开发)并无多少提高,反倒是成本和工艺复杂程度增加不少,该技术商业化的可能性很低。

  从上面的分析可以很清楚地看到,石墨烯在锂离子电池里面可能发挥作用的领域只有两个:直接用于负极材料和用于导电添加剂。

石墨烯起主要电化学作用的电池

  用作锂电负极产业化前景依然艰难。

  我们先讨论下石墨烯单独用做锂电负极材料的可能性。纯石墨烯的充放电曲线跟高比表面积硬碳和活性炭材料非常相似,都具有首次循环库仑效率极低、充放电平台过高、电位滞后严重以及循环稳定性较差的缺点,这些问题其实都是高比表面无序碳材料的基本电化学特征。

  高品质的石墨烯的振实和压实密度都非常低,成本极其昂贵,根本不存在取代石墨类材料直接用作锂离子电池负极的可能性。既然单独使用石墨烯作为负极不可行,那么石墨烯复合负极材料呢?

  石墨烯与其它新型负极材料,比如硅基和锡基材料以及过渡金属化合物形成复合材料,是当前“纳米锂电”最热门的研究领域,在过去数年发表了上千篇paper。复合的原理,一方面是利用石墨烯片层柔韧性来缓冲这些高容量电极材料在循环过程中的体积膨胀,另一方面石墨烯优异的导电性能可以改善材料颗粒间的电接触降低极化,这些因素都可以改善复合材料的电化学性能。

  但是,并不是说仅仅只有石墨烯才能达到改善效果,实践经验表明,综合运用常规的碳材料复合技术和工艺,同样能够取得类似甚至更好的电化学性能。比如Si/C复合负极材料,相比于普通的干法复合工艺,复合石墨烯并没有明显改善材料的电化学性能,反而由于石墨烯的分散性以及相容性问题而增加了工艺的复杂性而影响到批次稳定性。

  如果综合考量材料成本、生产工艺、加工性和电化学性能,石墨烯或者石墨烯复合材料实际用于锂电负极的可能性很小产业化前景艰难。

  用作导电剂无明显优势。

  我们再来说说石墨烯用于导电剂的另外问题,现在锂电常用的导电剂有导电炭黑、乙炔黑、科琴黑,Super P等,现在也有电池厂家在动力电池上开始使用碳纤维(VGCF)和碳纳米管(CNT)作为导电剂。

  石墨烯用作导电剂的原理是其二维高比表面积的特殊结构所带来的优异的电子传输能力。从目前积累的测试数据来看,VGCF、CNT以及石墨烯在倍率性能方面都比Super P都有一定提高,但这三者之间在电化学性能提升程度上的差异很小,石墨烯并未显示出明显的优势。

  那么,添加石墨烯有可能让电极材料性能爆发吗?答案是很尴尬的。以iPhone手机电池为例,其电池容量的提升主要是由于LCO工作电压提升的结果,将上限充电电压从4.2V提升到目前i-Phone 6上的4.35V,使得LCO的容量从145 mAh/g逐步提高到160-170mAh/g (高压LCO必须经过体相掺杂和表面包覆等改性措施),这些提高都跟石墨烯无关。

  也就是说,如果你用了截止电压4.35V容量170mAh/g的高压钴酸锂,你加多少石墨烯都不可能把钴酸锂的容量提高到180mAh/g,更别说动不动就提高几倍容量的所谓“石墨烯电池”了。添加石墨烯有可能提高电池循环寿命吗?这也是尴尬的。石墨烯的比表面积比CNT更大,添加在负极只能形成更多的SEI而消耗锂离子,所以CNT和石墨烯一般只能添加在正极用来改善倍率和低温性能。

  那么成本方面呢?目前高品质石墨烯的生产成本仍然昂贵,而市场上所谓的廉价“石墨烯”产品基本上都是石墨纳米片(粉体中层数超过十层的占比很大)。

  如果对比石墨烯和CNT,我们就会发现这两者有着惊人的相似之处,都具有很多几乎完全一样的“奇特的性能”,当年CNT的这些“神奇的性能”现在是完全套用在了石墨烯身上。CNT是在上世纪末开始在国际上火热起来的,2000-2005年之间达到高潮。CNT据说功能非常之多,在锂电领域也有很多“独特性能”。

  但是二十多年过去了,至今也没看到CNT的这些“奇特的性能”在什么领域有实实在在的规模化应用。在锂电方面,CNT也仅仅是用作正极导电剂这两年在LFP动力电池里面开始了小规模的试用(性价比仍不及VGCF),而LFP动力电池已经注定不可能成为电动汽车主流技术路线。

  相比于CNT,石墨烯在电化学性能方面与之非常相似并无任何特殊之处,反倒是生产成本更高,生产过程对环境污染更加严重,实际操作和加工性能更加困难。当前所谓的“石墨烯电池”好多纯属炒作,真正静下来研发的不多,大多走“快餐经济”路线。对比CNT和石墨烯,“历史总是何其相似”!

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