天天喊石墨烯电池 其实都叫错了

2020-01-13 18:42:20 来源:科技日报 作者:华凌 责任编辑:赤子 字号:T|T

  “从目前技术发展阶段来看,石墨烯电池尚未出现。石墨具有层状结构,这种结构给锂离子的嵌入设置了一个闸口,是锂电池具有充放电平台和高库仑效率的决定因素,也是其成为锂电池关键材料的重要因素之一。”杨全红说,相比而下,不具有层状结构的石墨烯用作锂电负极的产业化前景不乐观,纯石墨烯的充放电曲线与硬碳和活性炭材料非常相似,还有首次循环库仑效率低、没有充放电平台及循环稳定性差的缺点。因此,目前纯的石墨烯不存在取代石墨类材料直接用作锂电池负极的可能性。但石墨烯基复合材料有可能作为高性能电极材料推动锂电池产业的发展。

  “添加剂”让电池性能提升

  “5G时代来临,人们迫切需要电池能够做到快速充放电、热传导快、能量密度高等性能。不可否认的是,‘添加剂’石墨烯能够使锂电池性能明显提升,部分解决目前的产业瓶颈。”杨全红表示。

  据介绍,碳导电剂对于锂电池必不可少,但大量非活性、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),这成为锂电池发展的重要瓶颈。杨全红说,将石墨烯用作锂电池导电剂,可以极大增加碳导电剂的单位碳原子导电效率,一改碳黑等传统导电添加剂“点—点”接触模式为“面—点”接触模式,可以构建“至柔至薄至密”的导电网络,大幅降低不贡献容量的碳导电剂用量,解决碳导电剂用量与高能量需求之间的矛盾,显著提高电池的体积能量密度和充放电性能。

  此外,由于石墨烯具有良好的热传导性质,目前主流手机厂商将石墨烯作为散热材料使用。作为热量的优良导体,石墨烯同高活性物质的有效接触、保护,一方面可降低电解液在其表面的副反应放热;另一方面对其充放电,特别是快速充放电产生的大量热可实现有效的热传递,降低电池工作过程中的热隐患与热失控,让整个电池体系的热循环更稳定。

  迅猛发展的电动汽车和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电子等智能终端电池的小型化提供解决方案。这可能成为未来石墨烯在提高锂电池性能方面的重要应用。

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