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                  石墨烯真正應用前景在哪?

                  發布時間: 2015-06-29 09:17:49    來源: 高工鋰電網 
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                  [摘要]未來石墨烯在鋰離子電池上的應用前景微乎其微的。相比于鋰離子電池,筆者認為石墨烯在超級電容器尤其是微型超級電容器方面的應用前景似乎稍微靠譜一點。

                    ·溶劑剝離法。溶劑剝離法的原理是將少量的石墨分散于溶劑中形成低濃度的分散液,利用超聲波的作用破壞石墨層間的范德華力,溶劑插入石墨層間,進行層層剝離而制備出石墨烯。此方法不會像氧化-還原法那樣破壞石墨烯的結構,可以制備高質量的石墨烯。缺點是成本較高并且產率很低,工業化生產比較困難。

                    此外,石墨烯的制備方法還有溶劑熱法、高溫還原、光照還原、外延晶體生長法、微波法、電弧法、電化學法等,這些方法都不及上述四種方法普遍。

                    在此,筆者介紹一個新名詞:還原氧化石墨烯,即RGO。一般來說,氧化石墨烯是由石墨經強酸氧化,然后再經過化學還原或者熱沖擊還原得到。目前市場上所謂的“石墨烯”絕大多數都是通過氧化-還原法生產的氧化石墨烯,石墨片層數目不等,表面存在大量的缺陷和官能團,無論是導電性、導熱性還是機械性都跟獲得諾貝爾獎的石墨烯是兩回事。嚴格意義上而言,它們并不能稱為“石墨烯”。

                    當前“石墨烯電池”這一名詞很火熱。事實上,國際鋰電學術界和產業界并沒有“石墨烯電池”這個提法。筆者搜索維基百科,也沒有發現“graphene battery”或者“graphene Li-ion battery”這兩個詞條的解釋。

                    根據美國Graphene-info這個比較權威的石墨烯網站的介紹,“石墨烯電池”的定義是在電極材料中添加了石墨烯材料的電池。在筆者看來,這個解釋顯然是誤導。根據經典的電化學命名法,一般智能手機使用的鋰離子電池應該命名為“鈷酸鋰-石墨電池”。

                    之所以稱為“鋰離子電池”,是因為SONY在1991年將鋰離子電池投放市場的時候,考慮到經典命名法太過復雜一般人記不住,并且充放電過程是通過鋰離子的遷移來實現的,體系中并不含金屬鋰,因此就稱為“Lithium ion battery”。最終“鋰離子電池”這個名稱被全世界廣泛接受,這也體現了SONY在鋰電領域的特殊貢獻。

                    目前,幾乎所有的商品鋰離子電池都采用石墨類負極材料,在負極性能相似的情況下,鋰離子電池的性能很大程度上取決于正極材料,所以現在鋰離子電池也有按照正極來稱呼的習慣。比如,磷酸鐵鋰電池(BYD所謂的“鐵電池”不在筆者討論范疇)、鈷酸鋰電池、錳酸鋰電池、三元電池等,都是針對正極而言的。

                    那么以后如果電池負極用硅材料,會不會叫做硅電池?也許可能吧。但不管怎么樣,誰起主要作用就用誰命名。照此推算,如果要叫石墨烯電池一定要是石墨烯起主要電化學作用的電池。就好比添加了炭黑的鈷酸鋰電池,總不能叫炭黑電池吧?為了進一步澄清“石墨烯電池”的概念問題,我們先總結一下石墨烯在鋰離子電池中可能(僅僅是可能性)的應用領域。

                    ·負極:1、石墨烯單獨用于負極材料;2、與其它新型負極材料,比如硅基和錫基材料以及過渡金屬化合物形成復合材料;3、負極導電添加劑。

                    ·正極:主要是用作導電劑添加到磷酸鐵鋰正極中,改善倍率和低溫性能;也有添加到磷酸錳鋰和磷酸釩鋰提高循環性能的研究。

                    ·石墨烯功能涂層鋁箔,其實際性能跟普通碳涂覆鋁箔(A123聯合漢高開發)并無多少提高,反倒是成本和工藝復雜程度增加不少,該技術商業化的可能性很低。

                    從上面的分析可以很清楚地看到,石墨烯在鋰離子電池里面可能發揮作用的領域只有兩個:直接用于負極材料和用于導電添加劑。

                    用作鋰電負極產業化前景渺茫

                    我們先討論下石墨烯單獨用做鋰電負極材料的可能性。純石墨烯的充放電曲線跟高比表面積硬碳和活性炭材料非常相似,都具有首次循環庫侖效率極低、充放電平臺過高、電位滯后嚴重以及循環穩定性較差的缺點,這些問題其實都是高比表面無序碳材料的基本電化學特征。

                    石墨烯的振實和壓實密度都非常低,成本極其昂貴,根本不存在取代石墨類材料直接用作鋰離子電池負極的可能性。既然單獨使用石墨烯作為負極不可行,那么石墨烯復合負極材料呢?

                    石墨烯與其它新型負極材料,比如硅基和錫基材料以及過渡金屬化合物形成復合材料,是當前“納米鋰電”最熱門的研究領域,在過去數年發表了上千篇論文。復合的原理,一方面是利用石墨烯片層柔韌性來緩沖這些高容量電極材料在循環過程中的體積膨脹,另一方面石墨烯優異的導電性能可以改善材料顆粒間的電接觸降低極化,這些因素都可以改善復合材料的電化學性能。

                    但是,并不是說僅僅只有石墨烯才能達到改善效果,筆者的實踐經驗表明,綜合運用常規的碳材料復合技術和工藝,同樣能夠取得類似甚至更好的電化學性能。比如Si/C復合負極材料,相比于普通的干法復合工藝,復合石墨烯并沒有明顯改善材料的電化學性能,反而由于石墨烯的分散性以及相容性問題而增加了工藝的復雜性而影響到批次穩定性。

                    如果綜合考量材料成本、生產工藝、加工性和電化學性能,筆者認為,石墨烯或者石墨烯復合材料實際用于鋰電負極的可能性很小產業化前景渺茫。

                    用作導電劑無明顯優勢

                    我們再來說說石墨烯用于導電劑的可能性,現在鋰電常用的導電劑有導電炭黑、乙炔黑、科琴黑,Super P等,現在也有電池廠家在動力電池上開始使用碳纖維(VGCF)和碳納米管(CNT)作為導電劑。

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