石墨烯是高能量密度電池重要選項嗎？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-08-15 18:54
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在國家政策主導鋰電往高能量密度的發(fā)展背景下，石墨烯材料是很好的下一代電池材料備選。石墨烯在新一代素材中一直被認為是代表性材料。從石墨中剝出的石墨烯是薄薄的碳素原子膜，其特點是物理性、化學性的穩(wěn)定性較高。該材料比銅的導電性高100倍;比硅的導電速度高140倍以上。這也是石墨烯球材電池比現(xiàn)有的充電電池的充電速度快五倍的理由。憑借優(yōu)異的材料性能，石墨烯受到了研究機構(gòu)與鋰電企業(yè)的青睞。
今年初，從科技部網(wǎng)站獲悉，韓國《中央日報》報道三星電子綜合技術院的研究小組成功研發(fā)出新電池材料“石墨烯球”，比現(xiàn)有鋰離子電池的充電容量高出45%，充電速度提高5倍以上。研究人員發(fā)現(xiàn)在高強度、高導電性的石墨烯材料中加入二氧化硅后，可以大量合成石墨烯，合成的石墨烯像爆米花一樣呈現(xiàn)出三維立體形態(tài)，因此被稱為“石墨烯球”，將這種石墨烯球材料用于鋰離子電池的陽極保護膜和陰極材料后可以提升充電容量、縮短充電時間，而且高溫穩(wěn)定性也能得到保障。韓國計劃五年內(nèi)將“石墨烯球”鋰電子電池實現(xiàn)商用化。
今年三月底，落戶于銀川經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)的石墨烯新能源產(chǎn)業(yè)化項目，計劃投資85億元，實施年產(chǎn)3萬噸石墨烯改性三元材料及1萬噸石墨烯導電漿料項目等5個項目，項目建成后，可在銀川市形成石墨烯儲能材料基本的產(chǎn)業(yè)鏈條，并形成年產(chǎn)值150億元以上的規(guī)模。
而不久前，美國麻省理工學院已成功研制出表面附有石墨烯納米圖層的柔性光伏電池板，可極大降低制造透明可變形太陽能電池的成本，這種電池有可能在夜視鏡、相機等小型數(shù)碼設備中應用。
石墨烯電池盡管得到了不少廠商和投資者的偏愛，但是也存在反對聲音。首先，成本和工藝的復雜性高，有學者認為，石墨烯電池可能只能存在于實驗室之中，商業(yè)化的普及還是比較的困難。OakRidgeNaTIonalLaboratory與有名的石墨烯業(yè)內(nèi)廠商Vorbeck曾披露石墨烯的研究成果，他們認為，石墨烯工作的可重復性常常都很差，所做技術與實用化目標脫節(jié)嚴重。這一現(xiàn)象已經(jīng)廣受科研界中的有識之士，以及工業(yè)界的詬病。
材料是現(xiàn)代文明的三大支柱之一，新材料的發(fā)現(xiàn)以及跨領域的應用對科技發(fā)展起到至關重要的作用。電池產(chǎn)業(yè)由傳統(tǒng)鋰電池再到之后的鈷鋰電池，一直到如今的電池高鎳化。石墨烯對于動力電池而言，或許是下一代材料的突破口。而電池技術的發(fā)展，也在促進各種電子終端產(chǎn)品的迭代。
周恩來曾就讀過的日本筑波大學所領導的合作項目發(fā)現(xiàn)了一種優(yōu)化析氫催化劑的方法，可以在不顯著犧牲催化活性的前提下提高其穩(wěn)定性。研究小組發(fā)現(xiàn)用石墨烯包覆催化劑納米顆粒，可以提高催化劑耐用性，該成果發(fā)表在ACS上。
研究人員稱，“我們優(yōu)化了石墨烯涂層納米顆粒的數(shù)量和它們的催化活性之間的平衡，要做到這一點，我們必須精確地控制石墨烯層涂布納米顆粒的數(shù)量，這是通過仔細調(diào)節(jié)石墨烯在納米顆粒上的沉積時間來實現(xiàn)的。”
團隊制備了一系列涂覆有不同數(shù)目石墨烯層的納米粒子樣品，并對其進行表征，然后確定了它們在析氫反應中的催化活性。涂覆有最佳數(shù)量的石墨烯層的催化劑納米顆粒，其僅為三至五層，在析氫反應中顯示出與昂貴的鉑基催化劑類似的活性。重要的是，這些納米顆粒也顯示出高穩(wěn)定性；石墨烯涂層防止金屬納米粒子溶解在酸性反應溶液中。
研究人員進行了理論計算來支持他們的實驗結(jié)果。結(jié)果證實了石墨烯層數(shù)、化學穩(wěn)定性和納米粒子的催化活性之間的關系。也就是說，涂覆少于三個石墨烯層的納米顆粒比三至五層涂覆的催化劑具有更高的催化活性，但這是以耐久性為代價的；前者比后者表現(xiàn)出較差的化學穩(wěn)定性。
“我們的研究結(jié)果為在酸性條件下通過現(xiàn)場聚合物電解質(zhì)膜電解在氫站進行大規(guī)模氫生產(chǎn)的穩(wěn)定、廉價的催化劑鋪平了道路。”該小組的研究結(jié)果有利于氫燃料清潔能源產(chǎn)業(yè)化。
石墨烯是目前最薄也最堅硬的納米材料，集透光性好、導熱系數(shù)高、電子遷移率高、電阻率低、機械強度高等多種優(yōu)異性能于一身，是主導未來高科技競爭的超級材料，被稱為“黑金”，可極大推動相關產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展和升級換代，市場前景廣闊，有望催生千億元規(guī)模的產(chǎn)業(yè)。
由于硅材料本身限制，計算機、芯片或電子器件的開發(fā)速度再難遵守摩爾定律，性能提升速度減慢。石墨烯中電子運行幾乎無阻礙，運行速度是硅的數(shù)倍，為打破這一瓶頸帶來可能。加之智能化、大數(shù)據(jù)、云計算、可穿戴裝備的興起，對高速計算機、高效能源轉(zhuǎn)換和儲存系統(tǒng)、柔性電子的需求迫在眉睫，石墨烯可在這些領域發(fā)揮決定性的作用，這預示著全球科技發(fā)展將從過去的硅時代邁入以石墨烯等碳材料為代表的碳時代。
石墨烯問世之后，美國、日本、歐盟等發(fā)達國家紛紛從國家戰(zhàn)略高度開始部署石墨烯研究和發(fā)展規(guī)劃，投入數(shù)十億美金支持石墨烯研究和商業(yè)化。三星電子、IBM、諾基亞、陶氏化學、通用、施樂公司、拜爾、巴斯夫等跨國集團，也都瞄準石墨烯市場，積極推進石墨烯產(chǎn)業(yè)化研究。
中國是石墨資源大國，也是石墨烯研究和應用開發(fā)最活躍的國家之一。未來十年是石墨烯從實驗室步入應用的關鍵時期。繼《中國制造2025》、《關鍵材料升級換代工程實施方案》等國家戰(zhàn)略性文件將石墨烯納入重要的前沿性新材料之后，工業(yè)和信息化部、發(fā)展改革委和科技部又聯(lián)合發(fā)布了《關于加快石墨烯產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的若干意見》，助推石墨烯產(chǎn)業(yè)化進程，引領石墨烯產(chǎn)業(yè)化發(fā)展方向。
石墨烯是開啟未來的產(chǎn)業(yè)，是我國新材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展契機，其產(chǎn)業(yè)化過程，也是檢驗和提升我國綜合科技實力的過程。在研究國內(nèi)外石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況的基礎上，提出石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策建議：保護知識產(chǎn)權促進公共平臺成果落地、加強人才培養(yǎng)夯實綜合科技基礎、鼓勵引入民間資本發(fā)展石墨烯產(chǎn)業(yè)，并就我國石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展設想四條主要路徑。
