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石墨烯和鋰電池之間的關系

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2018年10月31日  

華為中央研究院在日本向全世界宣布:鋰電子電池技術實現重大突破,世界上首個商用的石墨烯基鋰離子電池已經誕生。將在本月底推出超級快充手機,正式開啟石墨烯商用時代。

這個消息一出,瞬間撼動了整個科技界!

我們知道,近期三星的爆炸事件、蘋果手機的自動關機事件,就是電池與手機的兼容性問題。這其實就是由于手機的電池續航能力、以及支持能力存在的巨大安全隱患。因為“智能手機”中有大量芯片,比如音頻芯片、視頻芯片、電源管理芯片、ISP芯片(拍照用)、WIFI芯片、CPU、GPU、基帶等等,人們對智能手機的性能的要求越來越高,尤其是續航能力,所以這些芯片的負荷也就越來越高。

所以,這場變革的臨界點落腳到了材料的創新上面。而今天,華為石墨烯基鋰離子電池已經誕生,這也就意味著智能手機將進入下一個高速發展時代!

石墨烯與鋰電池是什么

石墨烯(Graphene)是一種由碳原子以sp2雜化方式形成的蜂窩狀平面薄膜,是一種只有一個原子層厚度的準二維材料,所以又叫做單原子層石墨。它的厚度大約為0.335nm,根據制備方式的不同而存在不同的起伏,通常在垂直方向的高度大約1nm左右,水平方向寬度大約10nm到25nm,是除金剛石以外所有碳晶體(零維富勒烯,一維碳納米管,三維體向石墨)的基本結構單元。

很早之前就有物理學家在理論上預言,準二維晶體本身熱力學性質不穩定,在室溫環境下會迅速分解或者蜷曲,所以其不能單獨存在。直到2004年,英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫,用微機械剝離法成功從石墨中分離出石墨烯,證實它可以單獨存在,對于石墨烯的研究才開始活躍起來,兩人也因此共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。

石墨烯目前最有潛力的應用是成為硅的替代品,制造超微型晶體管,用來生產未來的超級計算機。用石墨烯取代硅,計算機處理器的運行速度將會快數百倍。

另外,石墨烯幾乎是完全透明的,只吸收2.3%的光。另一方面,它非常致密,即使是最小的氣體分子(氦氣)也無法穿透。這些特征使得它非常適合作為透明電子產品的原料,如透明的觸摸顯示屏、發光板和太陽能電池板。

作為目前發現的最薄、強度最大、導電導熱性能最強的一種新型納米材料,石墨烯被稱為“黑金”,是“新材料之王”,科學家甚至預言石墨烯將“徹底改變21世紀”。極有可能掀起一場席卷全球的顛覆性新技術新產業革命。

而“鋰電池”,是一類由鋰金屬或鋰合金為負極材料、使用非水電解質溶液的電池。1912年鋰金屬電池最早由GilbertN.Lewis提出并研究。20世紀70年代時,M.S.WhitTIngham提出并開始研究鋰離子電池。由于鋰金屬的化學特性非常活潑,使得鋰金屬的加工、保存、使用,對環境要求非常高。所以,鋰電池長期沒有得到應用。隨著科學技術的發展,現在鋰電池已經成為了主流。

鋰電池大致可分為兩類:鋰金屬電池和鋰離子電池。鋰離子電池不含有金屬態的鋰,并且是可以充電的。可充電電池的第五代產品鋰金屬電池在1996年誕生,其安全性、比容量、自放電率和性能價格比均優于鋰離子電池。由于其自身的高技術要求限制,現在只有少數幾個國家的公司在生產這種鋰金屬電池。

鋰電行業對石墨烯在鋰離子電池的應用已經開展了許多研究,整理如下。

石墨烯用于鋰電正極材料:1.石墨烯對改善磷酸鐵鋰電池倍率性能的研究;2.與磷酸錳鋰和磷酸釩鋰復合提高循環性能的研究。

石墨烯用于鋰電負極材料:1.石墨烯直接作為鋰離子電池負極;2.石墨烯/SnO2復合材料作為鋰離子電池負極;石墨烯/Si復合材料作為鋰離子電池負極;石墨烯與Fe2O3、TIO2、Co3O4等復合作為鋰離子電池負極;3.負極導電添加劑。

無論是石墨烯改性正極材料還是與硅基、錫基材料以及過渡金屬化合物形成復合材料方面的研究,結論表明石墨烯的加入可改善復合材料的電化學性能,但提升幅度有限。另一方面,從商用角度來看,考慮材料成本、加工工藝、批次穩定性等因素,石墨烯大規模應用于鋰電充滿了挑戰。

黑科技:石墨烯鋰電池

與傳統鋰離子電池相比,石墨烯鋰電池的優勢無疑非常明顯,它主要有耐高溫、壽命長兩大特點。

根據第四能源得到的信息,通過在電解液中加入高溫抗分解添加劑,配合高溫穩定的大單晶正極,大幅提升電池熱穩定性。與此同時,通過利用石墨烯高效散熱的特點,同等工況下,電池溫度降低5℃。

因此,石墨烯鋰電池能將使用上限溫度提升10℃。在60℃的高溫條件下使用,壽命為普通鋰離子電池的2倍;即便在炎熱氣候地域如中東、非洲,該電池的使用壽命仍可長達4年以上。

石墨烯鋰電池無疑是鋰離子電池發展史上的重大突破。它將拓展鋰離子電池的使用場景,比如烈日暴曬下需要工作的設備——無人機;還比如電動汽車,能讓電動汽車在高溫環境下也有極佳的續航表現。

瓦特實驗室首席科學家李陽興向第四能源記者透露,‘石墨烯鋰電池技術主要解決了三個難題:第一,電解液加入特殊添加劑,避免其高溫分解;第二,選大單晶三元材料做正極,增強熱穩定性;第三,石墨烯的加入,實現高效散熱。’

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