为什么是石墨烯?石墨烯在改良锂电池中的作用

来源:钜大LARGE    2017-08-31    点击量: 263

      石墨烯概念的兴起是人类迈向环保生活的一个结晶,锂电池是一个环保产品,因为它没有以往电池产品中普遍存在的重金属污染,随着从电子产品过渡到新能源汽车动力电池及大型储能电池应用,需要把锂电池做成更大个体,伴随而来的技术问题也就产生了。
      电池行业的从业人员都知道,现有锂电池的命名全部都是因应于构成它的正极材料,而碳基负极是被默许为没有改变的。因为锂电池的储电量提升了,为了方便应用,就需要尽量压缩体积,提高相应的充电效率。以往,落实这些措施都从正极上着手,但到目前为止很难再有大的突破了。于是,从负极材料着手进行改善的思路自然而然地出现了。根据一般的思维规律,新事物取代旧事物最初都是从“可替代性”开始的,是改良性质的,石墨烯源于碳物质,而碳基物质(对于锂电池可以更简捷地说:石墨)正是目前锂电池的负极材料基础。从这个意义上说,现在的石墨烯电池概念也是技术改良而不是技术革命性质的,主要是争取比原来的负极材料有相应性能的数量级提升,并非功能上质的变动。
      不过,在石墨烯如何应用于锂离子动力电池和储能电池的研究过程中,研究人员发现,石墨烯因为其特殊的物理结构还可以在这类电池中发挥其他技术功能,从而改善电池化学性能,统而言之,石墨烯应用于锂电池的途径按照技术与经济可行性由小到大的顺序,主要表现在四个方面:1.充当电池负极;2.充当电池正极辅料;3.形成复合材料负极;4.作为电池导电剂。
      一、作负极。北京化工大学的一项试验通过恒流充放电、循环伏安法和交流阻抗等手段研究了石墨烯用作锂离子电池负极材料的电化学性能,结果表明,石墨烯负极材料有优异的倍率功能,具体表现为:在0.2mA/c㎡的电流密度下石墨烯首次可逆比容量为1005mAh/g,经过30个循环后放电比容量保持在609mAh/g,优异的倍率功能意味着石墨烯负极电池可以用于需要瞬间电流比较大的环境,这对低温电池等特种电池产品增强了适用性。
      但是,该试验及其后来的其他试验也表明,纯石墨烯存在着首次循环库仑效率极低、充放电平台过高、电位滞后和循环稳定性较差的缺点,这些都是属于高比表面无序碳材料的基本电化学特征。石墨烯的片状结构也易造成电池极化严重,综合其电化学表现的优缺点,目前的纯石墨烯物质不具备直接用作锂离子电池负极的可能性。
      二、作正极材料的辅料。其优点和直接用于电池负极类似,也是有利于改善倍率和低温性能,只不过在方式上是作为辅料添加到正极材料中。试验表明,从国内动力电池两大主流技术——磷酸铁锂电池和三元锂电池来看,石墨烯包覆磷酸铁锂只能微弱提高充电性能,使充电时间略为减少,而石墨烯包覆三元材料会使材料性能下降,反而是氧化石墨烯性能会有所改善。由于石墨烯本身的昂贵,将这一技术市场化的时候,需要考虑成本与效果之间的平衡。
      三、石墨烯复合材料。可以与硅基/锡基和过渡金属化合物形成复合材料,这两类非碳基负极材料优缺点明显:一方面具有高理论容量的优势,另一方面存在着在嵌锂/脱锂过程中体积膨胀收缩变化明显的缺点。而石墨烯掺杂改性后的复合材料能有效改善这两种材料单独使用时的缺点,石墨烯的纳米间隙既可以抑制其膨胀收缩时的碎裂可能性,也可缓解团聚现象(因叠压和聚拢使锂离子活动空间变小)提高锂电池的储能空间,这对在既定体积下提高电池容量水平有帮助。
      从技术层面上来看,石墨烯复合材料是一种可调整参数的构件,因此可以针对强调点不同的应用,但也正因为如此增加了它的工艺复杂程度。一方面它要在趋利的同时避害,另一方面要保证投入量产后的一致性,则设备/原材料投入、工艺设计与流程实现需要大量的前期资金,而且这种资金投入后的效果还要为市场认可。目前,大多数的石墨烯制备企业也是围绕着这个应用方向展开的,之所以产业化还明显不足,其中的困难就在于此。
      四、作电池导电剂。石墨烯导电性优良,其电子运行速度达到光速的1/300,以石墨烯作锂电池的导电剂,能够将电芯内阻减至最小,有效突破锂电池产品快速充电的技术瓶颈。相关试验表明,它能提高材料的循环性能从而提高电池寿命;虽然也能提高电池的高倍率性能,但这方面的表现并不明显。其不利的一面是:电池快充的安全性问题始终存在。好在这种快充是可以通过调整导电剂的剂量以及它与电解液的结合方式来进行改善的,因此,这是一个最没有争议的应用。
      石墨烯成为锂电池改性的首选考虑与它能够在锂电池主要部件和辅件起作用有重大关系,因为这种应用的全面性人们甚至发明了“石墨烯电池”这一概念。不管怎么说,在锂电池大型应用的趋势下,石墨烯的出现改变了人们从正极材料方面着手的局限性,使锂电池通过改良性能而拓展了自己的应用广度和深度,这对于我国和全球环保能源事业的发展有积极作用。

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