石墨烯電池為什么沒有取代鋰電池成為電動車的電池呢？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-03-18 12:56
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石墨烯被研究者和各大媒體譽為“新材料之王”，是人類已知強度高、韌性好、重量輕、透光率高、導(dǎo)電性佳的新型納米材料。
集萬千光芒于一身的石墨烯聚合電池，有著比能量高、充電速率快等優(yōu)點，正好是當今電動汽車的痛點所在。比如早在2015年，華為瓦特實驗室在日本第56屆日本電池大會上發(fā)布的一項快充技術(shù)，這款3000mAh的石墨烯電池僅需5分鐘，就可獲得高達48%的電量。
更有甚者，早在2014年，西班牙Graphenano公司就與西班牙科爾瓦多大學，合作研究出了首例石墨烯聚合材料電池。
在電動車當中，三電系統(tǒng)是核心，而其中的電池則是核心中的核心，電池作為動力能量以及全車電力的來源，擔當著十分重要的角色。目前，電動車主流的電池都是采用鋰電池，這種電池能量密度適中，而且也較為成熟，制造成本也比較有優(yōu)勢。但是，鋰電池也有非常致命的弱點，比如，安全性差，容易引發(fā)火災(zāi)；比如，充電速度慢，最快也要幾個小時。
不僅如此，鋰離子電池的內(nèi)部阻抗高。因為鋰離子電池的電解液為有機溶劑，其電導(dǎo)率比鎳鎘電池、鎳氫電池的水溶液電解液要低得多，所以，鋰離子電池的內(nèi)部阻抗比鎳鎘、鎳氫電池約大11倍。如直徑為18mm、長50mm的單體電池的阻抗大約達90mΩ。
除此之外，鋰電池工作電壓變化較大。比如電池放電到額定容量的80%時，鎳鎘電池的電壓變化很?。s20%），鋰離子電池的電壓變化較大（約40%）。對電池供電的設(shè)備來說，這是嚴重的缺點，但是由于鋰離子電池放電電壓變化較大，也很容易據(jù)此檢測電池的剩余電量。
石墨烯的由來與優(yōu)勢。2004年，英國物理學家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫成功從石墨中分離出石墨烯，兩人也因此共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。這是人類首次分離出石墨烯，它也即將成為硅的替代品，也被人們稱之為“黑金”，之所以如此，是因為它是世界上目前發(fā)現(xiàn)的最薄、強度最大、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強的納米材料，并且?guī)缀跏峭该鞯拇嬖?，可以完美的制作成如透明的觸摸顯示屏、發(fā)光板和太陽能電池板。
現(xiàn)在，已有許多鋰電行業(yè)對石墨烯在鋰電池里的應(yīng)用展開了研究，主要有兩個方向的研究：①石墨烯用于鋰電正極材料；②石墨烯用于鋰電負極材料。據(jù)一些新聞報道，這些實驗性研究所獲得的電化學性能提升幅度有限，此外成本也很高，即石墨烯暫時無法商業(yè)化應(yīng)用于鋰電成本高昂是主因。
石墨烯基鋰電池應(yīng)用前景
石墨烯材料這個泡沫現(xiàn)在確實被吹得太大了。特別是在電池行業(yè)，量產(chǎn)，走進人們的生活的可能性微乎其微，主要原因如下：
商業(yè)化要考慮的首要問題就是成本，在鋰電池中石墨烯主要起到的作用與傳統(tǒng)碳/石墨的作用是相似的，一是導(dǎo)電劑，二是可能做電極嵌鋰材料，但是原料價格相差成千上萬倍。
2.工藝繁瑣，后處理污染嚴重，石墨烯比表面積大，受化學狀態(tài)影響巨大，批次穩(wěn)定性，循環(huán)壽命等眾多細致因素限制，生產(chǎn)工藝及其復(fù)雜，而且石墨烯生產(chǎn)需要用到大量的硫酸，后處理也很麻煩。
3.石墨烯是可以做導(dǎo)電劑促進快充放，雖然理論上可以提高倍率性能，但是如果分散工藝不到位混料不均，可能性質(zhì)反倒下降，得不償失。
所以，石墨烯摻雜鋰離子電池目前還無法廣泛的應(yīng)用，且由于工藝和成本等原因應(yīng)用前景堪憂，更別提全石墨烯電池了。
陽極上的金屬原子最終會耗盡，此時意味著電池耗盡電量。但在可充電電池中，可以通過充電來逆轉(zhuǎn)這一過程，從而迫使離子和電子回到原位，準備再次啟動循環(huán)之旅。純金屬制成的電極無法承受原子不斷進出的壓力而不發(fā)生坍縮，因此可充電電池必須使用組合材料，使陽極和陰極通過重復(fù)的充電循環(huán)保持形狀。這種結(jié)構(gòu)可被比作公寓建筑，其中有用于反應(yīng)性元素的“房間”?？沙潆婋姵氐男阅茉诤艽蟪潭壬先Q于你能以多快的速度在這些房間里進出，而不會導(dǎo)致建筑物倒塌。
1977年，年輕的英國科學家斯坦·惠廷漢姆(Stan Whittingham)在新澤西州林登(Linden)的?？松?Exxon)工廠工作，他建造了一個陽極，用鋁來形成“公寓街區(qū)的墻壁和地板”，用鋰作為活性材料。當他給電池充電時，鋰離子從陰極移動到陽極，在鋁原子之間的空隙中沉淀。當放電時，他們向另一個方向移動，通過電解質(zhì)回到陰極一側(cè)的空間。
惠廷漢姆發(fā)明了世界上第一個可充電的鋰電池，這種硬幣大小的電池足以為太陽能手表提供動力。但當他試圖增加電壓（使更多離子進出）或試圖制造更大的電池時，它們就會繼續(xù)燃燒。1980年，在牛津大學工作的美國物理學家約翰·古德諾夫(John Goodenough)取得了突破。古德諾夫是一名基督徒，曾在第二次世界大戰(zhàn)中擔任美國陸軍氣象學家，他也是金屬氧化物方面的專家。他懷疑，與惠廷漢姆使用的鋁化合物相比，肯定有某種物質(zhì)能為鋰提供更堅固的牢籠。
古德諾夫指導(dǎo)兩名博士后研究人員系統(tǒng)性地在周期表中摸索，用不同的金屬氧化物對鋰進行比對，看看在它們崩潰前能從其中抽出多少鋰。最終，他們確定了鋰和鈷的混合物，后者是遍布非洲中部的藍灰色金屬。鋰鈷氧化物可以承受半數(shù)鋰被拉出的極限。當它被用作陰極時，這代表了電池技術(shù)向前邁出了一大步。鈷是一種更輕便、廉價的材料，既適用于小型設(shè)備也適用于大型設(shè)備，而且大大優(yōu)于市場上的其他材料。
如今，古德諾夫的陰極幾乎出現(xiàn)在地球上的所有掌上設(shè)備中，但他并沒有從中賺到一分錢。牛津大學拒絕申請專利，他本人也放棄了這項權(quán)利。但它改變了可能發(fā)生的事情。1991年，經(jīng)過10年的修修補補，索尼將古德諾夫的鋰鈷氧化物陰極與碳陽極結(jié)合在一起，試圖改善其新型CCD-TR1攝像機的電池續(xù)航時間。這是第一款用于消費產(chǎn)品的可充電鋰離子電池，它改變了整個世界。
吉恩·伯迪切夫斯基(Gene Berdichevsky)曾是特斯拉的第七名員工。當這家電動汽車公司于2003年成立時，電池能量密度穩(wěn)步提高已經(jīng)持續(xù)了十年，每年的提高幅度約為7%。但到了2005年前后，伯迪切夫斯基發(fā)現(xiàn)鋰離子電池的性能開始趨于平穩(wěn)。在過去的七八年里，科學家們不得不竭盡全力去爭取哪怕是0.5%的電池性能提高。
當時的進步主要來自工程和制造業(yè)的改進。伯迪切夫斯基說:“在現(xiàn)代化學反應(yīng)被使用27年后，它們不斷接受提煉。”材料更加純凈，電池制造商已經(jīng)能夠通過使每層都變得更薄的方式將更活躍的材料裝入相同的空間中。伯迪切夫斯基稱之為“從罐子里吸出空氣”。但這也有其自身風險。現(xiàn)代電池由極薄的陰極、電解質(zhì)和陽極材料的交替層組成，與銅和鋁電荷收集器緊密地結(jié)合起來，將電子帶出電池，送到需要的地方。
在許多高端電池中，塑料隔膜位于陰極和陽極之間，用來防止它們接觸和短路，其厚度僅為6微米（約為人類頭發(fā)厚度的1/10），這使它們很容易受到擠壓損傷。這就是航空公司的安全視頻現(xiàn)在為何警告稱，如果你的手機掉進了機械裝置里，不要試圖調(diào)整座位。
對鋰離子電池的每一次改進，都需要權(quán)衡取舍。提高能量密度會降低安全性，引入快速充電可能降低電池的循環(huán)壽命，這意味著電池的性能下降得更快。鋰離子的潛力正在接近其理論極限。自從古德諾夫的突破以來，研究人員一直在試圖尋找下一個飛躍，包括通過系統(tǒng)性地審視電池的四個主要組成部分——陰極、陽極、電解質(zhì)和分離器，并使用越來越復(fù)雜的工具。
克萊爾·格雷(Clare Grey)是古德諾夫在牛津大學的學生，他始終在研究鋰-空氣電池，即用空氣中的氧氣充當另一個電極。從理論上講，這些電池提供了巨大的能量密度，但要讓它們可靠地充電，并且持續(xù)時間超過幾十個周期，在實驗室里已經(jīng)夠困難的了，更不用說在現(xiàn)實世界骯臟而不可預(yù)知的空氣中了。
盡管格雷聲稱最近取得了突破，但由于上述問題，研究團體的注意力主要轉(zhuǎn)向了鋰-硫電池。它為鋰離子提供了更便宜、更強大的替代品，但科學家們始終在努力阻止其在陰極上形成的樹突（cathode），以及在陽極上的硫磺因重復(fù)充電而溶解。索尼聲稱已經(jīng)解決了這一問題，并希望到2020年將含有鋰-硫電池的消費類電子產(chǎn)品推向市場。
在曼徹斯特大學，材料學家劉旭清(Xuqing Liu)是那些試圖從碳陽極中擠出更多能量的人之一，他將類似于石墨烯的二維材料結(jié)合起來，以便擴大表面積，從而增加鋰原子的數(shù)量。劉旭清把它比作增加一本書的頁數(shù)。這所大學還投資建造干燥的實驗室，這將使其研究人員能夠安全、輕松地交換不同的元件，以測試不同的電極和電解質(zhì)的組合。
令人難以置信的是，即使古德諾夫本人也在研究這個問題。去年，94歲的他發(fā)表了一篇論文，描述了一種容量是現(xiàn)有鋰離子電池三倍的電池。這受到廣泛質(zhì)疑。一位研究人員說:“如果是古德諾夫之外的其他人發(fā)表了這篇文章，我可能就要罵娘。”
但是，盡管有成千上萬的論文發(fā)表，數(shù)十億美元的資金投入，數(shù)十家創(chuàng)業(yè)公司成立并提供資金支持，自1991年以來，我們大部分消費電子產(chǎn)品的基本化學功能幾乎沒有改變。在成本、性能和消費性電子產(chǎn)品的便攜性方面，還沒有什么能夠取代鋰鈷氧化物和碳的組合。iPhoneX的電池的原理幾乎和索尼的第一臺便攜式攝像機一樣。
因此，2008年，伯迪切夫斯基從特斯拉離開，開始專注于研究新的電池化學反應(yīng)。他對尋找石墨陽極的替代品尤其感興趣，他認為這是制造更好電池的最大障礙。伯迪切夫斯基說:“石墨的使用已經(jīng)有六七年了，它現(xiàn)在基本上是用在電池的熱力學容量上。”2011年，他與特斯拉的前同事亞歷克斯·雅各布斯(Alex Jacobs)、佐治亞理工學院材料學教授格萊布·尤辛（Gleb Yushin）共同創(chuàng)立了Sila Nanotechnologies。他們在阿拉米達的灣區(qū)辦公室有開放式布局，以雅達利游戲命名的會議室，還有充滿熔爐和燃氣管道的工業(yè)實驗室。
