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石墨烯+锂电池≠石墨烯电池,天天喊石墨烯电池 其实都叫错了
编辑: 时间: 2022-02-04

石墨烯作为一种碳纳米材料,在锂电池中并没有超出目前常用碳材料的范围。虽然石墨烯提高锂电池性能的新闻很常见,但其核心储能机制并没有因添加石墨烯而改变,因此将添加石墨烯的锂电池称为石墨烯电池是不合适的。

编辑

与石墨相比,没有层状结构的石墨烯作为锂电池负极的工业化前景并不乐观。石墨烯电池尚未出现在当前的技术发展阶段。

不久前,一家知名制造商在法国官方推特上发布消息,称它将是第一个配备石墨烯电池的手机品牌,并指出该电池比以前的型号充电更快、更耐用、更小。虽然这个消息很快被删除了,但它再次引起了人们对石墨烯及其在电池中的关注。那么,目前有石墨烯电池吗?当石墨烯遇到电池时,它会给我们带来什么惊喜?

石墨烯 锂电池≠石墨烯电池

众所周知,锂电池由四种材料组成:正极、负极、隔膜和电解质。目前,主要使用的负极材料是石墨。石墨烯从石墨中剥离,只有一层原子厚度由碳原子组成(0.35纳米)的二维晶体比石墨具有更强的导电性、超高强度、高韧性和更高的导热性,被称为新材料之王。为了大大提高锂电池的能量密度和功率密度,人们希望取代石墨作为电池的负极或锂电池的其他关键材料。

目前,许多人称含有石墨烯材料的电池为石墨烯电池。事实上,称这些电池为石墨烯电池并不是很科学和严格,这个概念也不符合行业命名的原则,也不是行业共识。教育部长江学者、国家优秀青年科学基金获得者、天津大学化工学院教授杨全红在接受《科技日报》采访时指出,石墨烯由于其独特的物理化学性质,在锂电池中具有巨大的应用潜力。然而,石墨烯作为一种碳纳米材料,并没有超过目前常用碳材料的范围。虽然目前关于石墨烯提高锂电池性能的新闻很常见,但其核心储能机制并没有因添加石墨烯而改变,因此将添加石墨烯的锂电池称为石墨烯电池是不合适的。

此外,从专业角度来看,即使电池以关键材料命名,也一般遵循正负活性材料的规则。因此,如果命名为石墨烯电池,石墨烯应该是主要的电极材料,但现在石墨烯类似于添加剂,它在电池中的主要作用是提高电极的导电性或导热/散热特性,而不是电池正负极的活性材料。因此,这种电池不能被命名为石墨烯电池,而是被称为石墨烯基锂电池更准确。

从目前的技术发展阶段来看,石墨烯电池还没有出现。石墨具有层状结构,为锂离子的嵌入设置了闸门,这是锂电池充放电平台和高库仑效率的决定性因素,也是锂电池关键材料的重要因素之一。杨全红表示,没有层状结构的石墨烯作为锂电池负极的工业化前景并不乐观。纯石墨烯的充放电曲线与硬碳和活性炭材料非常相似,存在第一次循环库仑效率低、无充放电平台、循环稳定性差的缺点。因此,纯石墨烯不可能直接取代石墨材料作为锂电池负极。然而,石墨烯基复合材料可以作为促进锂电池行业发展的高性能电极材料。

添加剂提高了电池的性能

“5G随着时代的到来,人们迫切需要电池快速充放电、快速传热、高能量密度。不可否认的是,‘添加剂’杨全红说:石墨烯可以显著提高锂电池的性能,部分解决当前的工业瓶颈。

据报道,碳导电剂对锂电池至关重要,但大量非活性和轻组分的碳导电剂会降低电池体积能量密度(单位体积储存的能量),这已成为锂电池发展的重要瓶颈。杨全红表示,石墨烯作为锂电池导电剂,可以大大提高碳导电单位碳原子导电效率,改变碳黑等传统导电添加剂点接触模式为点接触模式,可以建立软薄导电网络,大大降低碳导电剂量,解决碳导电剂量与高能需求的矛盾,显著提高电池体积能量密度和充放电性能。

此外,由于石墨烯具有良好的导热性,主流手机制造商使用石墨烯作为散热材料。石墨烯作为一种优良的热导体,可以有效地接触和保护高活性物质,减少电解质在其表面的副作用,特别是快速充放电产生的大量热量,减少电池运行过程中的热风险和热失控,使整个电池系统的热循环更加稳定。

电动汽车和3C电子等移动智能终端应用,要求二次电池具有尽量小的体积和尽量高的体积能量密度。纳米技术使二次电池的质量能量密度和充放电速度大幅提高,但体积能量密度却很难通过纳米化技术提高。杨全红表示,纳米材料的致密化是使电极材料同时具有高的质量和体积性能的必由之路。石墨烯是碳材料的基本结构单元,近期的研究表明,基于胶体化学的石墨烯致密化技术,可以实现多孔碳纳米材料的致密化,就像将膨化食品转化为压缩饼干。这种技术在锂电池中最直接的应用就是,可以实现高性能硅碳电极的致密化,使单位体积锂电池的容量大幅增加,为消除电动汽车的里程焦虑和3C小型化电子等智能终端电池提供解决方案。这可能成为石墨烯未来提高锂电池性能的重要应用。

锂电池代锂电池的技术

今天的移动世界离不开锂电池。美国阿贡国家实验室能源存储联合研究中心负责人乔治·克拉布特里曾说过:这是有史以来最好的电池技术。然而,许多研究人员认为锂电池的能量密度接近其天花板。

那么,未来有哪些技术可以取代锂电池呢?

据《科学美国人》杂志报道,全球研究人员正在探索锂硫电池、镁电池、空气电池、液流电池等不同的技术路线。

2013年,美国化学工程师埃尔顿·凯恩斯基于锂硫技术开发了一种新型化学电池,只有硬币大小。在劳伦斯伯克利国家实验室经历了1500个充放电循环后,电池容量只损失了一半。据报道,由于使用金属锂负极,理论上锂硫电池的能量密度是锂电池的5倍多。制造电池PolyPlus在实践中,公司发现增加硫和减少电解质会使电池更容易断裂。Oxis对锂硫电池的前景持乐观态度,正在努力开发高能密度、可用于电动汽车的锂硫电池。

一些研究人员认为,下一代电池应该使用更重的元素,如镁,而不是锂。与一价锂离子相比,二价镁离子可以携带两个电荷,这意味着可释放的电能翻了一番。然而,携带两个电荷的镁离子移动缓慢,难以通过电解质和电极,就像穿过粘性糖浆一样。

劳伦斯伯克利国家实验室材料科学家克里斯廷·赫布兰德·塞德成立Pellion开发高容量镁电池。2013年底公开的大量专利表明,他们正在开发更开放的电极结构,以促进镁离子的快速传输。主包括丰田LG、三星和日立都在开发类似的镁电池。

碳纳米材料作为新材料行业的红人,具有高端应用和复合应用的双重优势;其突出的机电化学性能引发了国内外持久的研究热潮。石墨烯、碳纳米管和富勒烯共同纳入十三五国家战略性新兴产业发展规划,计划纳入国家重点专项规划,成为引领产业转型升级的重要指导。

为促进石墨烯行业上下游联动,促进近年来最具商业潜力的应用领域:储能应用、复合材料应用、导热散热等应用,上海贸易/烟台贸易与杭州高烯、浙江大学纳米聚合物研究小组于2020年7月16日召开了石墨烯/碳纳米材料制备技术及终端应用创新论坛-18日在杭州举行,期待您的参与。

1.石墨烯/碳纳米材料会议

   专题论坛:石墨烯/碳纳米材料制备技术及性能研究进展

   专题论坛:储能应用:

   专题论坛:复合材料应用:

   专题论坛:导(散)热材料技术研究与应用

2.会议创新产品展位交流

   组委会邀请并组织权威机构、制造商和下游终端客户参观展位进行面对面的交流。

3.专家咨询团坐在现场互动交流

   会议设立专家咨询小组,对制备技术专家、储能专家、复合材料专家进行一对一的技术交流,现场回答您的问题。

四、参观考察企业

   会议期间,安排参观杭州行业代表企业,领略企业实力和科技要素。

5.新产品发布会、成立仪式

   会议结束时,易贸将参加见证企业高烯石墨烯产品发布会和高烯石墨烯功能纤维共同体研究所成立仪式。

受新冠疫情影响,我国新能源汽车产业在2月份遭受重创。据中汽协统计,2020年2月,中国汽车产销量分别为28.与去年同期相比,5万辆和31万辆分别下降了79万辆.8%和79.1%。动力电池板也受到影响。据盖世汽车研究院介绍,2月份中国动力电池装机量约为0.6GWh,同比下降73%,环比下降74%。

插电式混合动力只占5%,中间车装机量近一半

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从细分市场来看,纯电动汽车在乘用车领域的需求比例进一步扩大。2月份,纯电动乘用车动力电池装机量为483.24MWh,乘用车总装机量占93%,比上个月增加了4个百分点左右。插电式混合动力车型的动力电池装机量为27%.06MWh,乘用车总装机容量约为5%。另外约2%的动力电池装机容量被增程混合动力车型占据。

在国内新能源汽车补贴政策的背景下,大对纯电动汽车表现出更大的热情。虽然补贴开始下降,但纯电动汽车在乘用车市场上的主导地位并没有改变。然而,随着新能源汽车市场的逐步开放,越来越多的外国企业开始依靠其成熟的燃料汽车声誉推出插电式混合动力车型,预计相关电池需求将增加。

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