天天喊石墨烯电池,其实都叫错了


与石墨相比,石墨烯不具有层状结构,其作为锂阳极的产业化前景不佳。从目前的技术发展阶段来看,石墨烯电池还没有出现。

不久前,一家知名制造商在法国官方推特上宣布,它将成为第一个配备“石墨烯电池”的手机品牌,并指出这种电池比以前的型号更快、更耐用、更小。尽管这条消息很快被删除,但它再次引起了人们对石墨烯及其在电池中的作用的关注。那么,有石墨烯电池吗?石墨烯遇到电池会给我们带来什么惊喜?

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石墨烯锂电池≠石墨烯电池

我们知道锂电池由四种主要材料组成:正极、负极、隔膜和电解液。目前,石墨是使用的主要负极材料。石墨烯是一种与石墨分离的二维晶体,由碳原子组成,只有一层原子厚度(0.35纳米)。其各项性能优于石墨,具有极强的导电性、超高强度、高韧性、高导热性等。它被称为“新材料之王”。希望它能取代石墨作为电池的负极或作为锂电池的其他关键材料,从而大大提高锂电池的能量密度和功率密度。

目前,许多人将含有石墨烯材料的电池称为“石墨烯电池”。“事实上,称这些电池为石墨烯电池既不科学也不严谨,这一概念不符合行业命名原则,也不是行业共识。”教育部长江学者、国家杰出青年科学基金获得者、天津大学化学工程学院教授杨在接受《科技日报》采访时指出,石墨烯因其独特的物理化学性质,在锂电池领域显示出巨大的应用潜力。然而,作为一种碳纳米材料,石墨烯并没有超出锂电池常用碳材料的范围。虽然目前关于石墨烯改善锂电池性能的科学论文、企业产品等新闻屡见不鲜,但石墨烯的加入并没有改变其核心储能机制。因此,称添加了石墨烯的锂电池为石墨烯电池是不合适的。

此外,从专业的角度来看,即使电池是以一种关键材料命名的,它通常也遵循“正负活性材料”的规则。锂电池的充电和放电是通过锂离子在正极和负极材料中的插入和移除来完成的。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,但是现在石墨烯类似于添加剂,并且它在电池中的主要功能是改善电极的导电性或导热性/散热特性,而不是电池的阳极和阴极的活性材料。因此,这种电池不能称为石墨烯电池,但称它为石墨烯锂电池更准确。

"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,为锂离子插入提供了一个入口。拥有充放电平台和高库仑效率是锂电池的决定性因素,也是锂电池成为关键材料的重要因素之一。”杨说,相比之下,石墨烯作为锂阳极的产业化前景并不乐观。纯石墨烯的充放电曲线与硬碳和活性炭材料非常相似。第一次循环库仑效率低,没有充放电平台,循环稳定性差。因此,目前纯石墨烯还不具备直接替代石墨材料作为锂电池负极的可能性。然而,石墨烯基复合材料可以作为高性能电极材料,促进锂电池行业的发展。“添加剂”提高电池性能“5G时代来临,人们迫切需要电池实现快速充放电、快速导热、高能量密度等。不可否认,“添加剂”石墨烯可以显着改善锂电池的性能,并部分解决当前的工业瓶颈杨对说道。

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此外,由于石墨烯良好的导热性能,主流手机制造商目前使用石墨烯作为散热材料。石墨烯作为一种优良的导热体,可以有效地接触和保护高活性物质,一方面可以减少电解质在其表面的副反应放热;另一方面,充放电产生的大量热量,特别是快速充放电,可以实现有效的传热,减少电池工作过程中的潜在热危害和热失控,使整个电池系统的热循环更加稳定。

电动汽车和3C电子设备等移动智能终端应用的快速发展要求二次电池具有尽可能小的体积和尽可能高的体积能量密度。纳米技术大大提高了二次电池的质量能量密度和充放电速度,但很难通过纳米技术提高体积能量密度。杨洪权说,纳米材料的致密化是使电极材料同时具有高质量和高体积性能的唯一途径。石墨烯是碳材料的基本结构单元。最近的研究表明,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一样。这项技术在锂电池中最直接的应用是可以实现高性能硅碳电极的致密化,大大提高锂电池单位体积的容量,为消除电动车里程焦虑和3C电子等智能终端电池的小型化提供解决方案。这可能成为石墨烯在未来改善锂电池性能的重要应用。

可能取代锂电池的技术

锂电池在今天的移动世界中是不可或缺的。阿尔贡国家实验室联合储能研究中心主任乔治克拉布特里说:“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上限。

那么,将来什么技术会取代锂电池呢?

根据《科学美国人》杂志,世界各地的研究人员正试图探索不同的技术路线,如锂硫电池、镁电池、空气电池、液流电池等。

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只有硬币大小的新型化学电池。在劳伦斯伯克利国家实验室进行了1500次充放电循环后,电池容量只损失了一半。据介绍,由于金属锂阴极的使用,理论上锂硫电池的能量密度是锂电池的5倍以上。生产电池的PolyPlus在实践中发现,增加硫和减少电解质会使电池更容易失效。然而,英国Oxis能源公司对锂硫电池的前景持乐观态度,正在努力开发高能量密度的锂硫电池,并可应用于电动汽车。

一些研究人员认为下一代电池应该使用比锂更重的元素,如镁。与一价锂离子相比,二价镁离子可以携带两个电荷,这意味着可以释放的电能翻了一番。然而,携带两种电荷的镁离子移动缓慢,难以通过电解质和电极,就像通过浓糖浆一样。

劳伦斯伯克利国家实验室的材料科学家克里斯汀佩尔松和麻省理工学院的材料科学家格布兰德塞德成立了佩利昂技术公司来开发高容量镁电池。2013年底发布的大量专利表明,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。包括丰田、LG、三星和日立在内的主要电子公司正在开发类似的镁电池。

科技日报记者华玲通讯员张晨