石墨烯電池和鋰離子電池的區(qū)別是什么？
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-08-18 09:18
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自今年以來，市場(chǎng)對(duì)石墨烯材料追捧火熱，不少廠商和科研機(jī)構(gòu)對(duì)石墨烯作為新的電池材料的應(yīng)用嘗試越來越多。烯聯(lián)納米項(xiàng)目負(fù)責(zé)人何仕國曾表示，烯聯(lián)納米的電池正極材料是純電動(dòng)車電池的核心技術(shù)。那么，石墨烯會(huì)是鋰電材料突破口嗎?能為目前鋰離子電池遇到的問題提供多一個(gè)解決選項(xiàng)嗎?
石墨烯鋰電池嶄露頭角
石墨烯具有獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的性能和各種潛在的應(yīng)用價(jià)值，石墨烯基納米材料是一種很有吸引力的鋰離子電池電極材料，尤其針對(duì)高能量密度與高功率密度電池。而石墨烯電池，就是利用鋰離子在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運(yùn)動(dòng)的特性，開發(fā)出的一種新電池。
有趣的是，除了浙江烯聯(lián)納米科技有限公司投資建石墨烯基地外，玉龍股份近日也發(fā)布公告增資投產(chǎn)石墨烯。據(jù)悉，玉龍股份將對(duì)寧夏漢堯石墨烯儲(chǔ)能材料科技有限公司增資人民幣3億元，主要用于加快寧夏漢堯鋰離子電池石墨烯三元正極材料及導(dǎo)電漿料項(xiàng)目產(chǎn)線的建設(shè)投產(chǎn)，帶動(dòng)產(chǎn)能和釋放推動(dòng)新業(yè)務(wù)的發(fā)展。
鋰電產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)廠商的對(duì)石墨烯鋰離子電池的布局，或?qū)⒓铀偈╀囯x子電池的的面世。
石墨烯是高能量密度電池重要選項(xiàng)
在國家政策主導(dǎo)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(rèn)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(diǎn)是物理性、化學(xué)性的穩(wěn)定性較高。該材料比銅的導(dǎo)電性高100倍;比硅的導(dǎo)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(jī)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?qǐng)?bào)》報(bào)道三星電子綜合技術(shù)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(qiáng)度、高導(dǎo)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(hù)膜和陰極材料后可以提升充電容量、縮短充電時(shí)間，而且高溫穩(wěn)定性也能得到保障。韓國計(jì)劃五年內(nèi)將“石墨烯球”鋰電子電池實(shí)現(xiàn)商用化。
今年三月底，落戶于銀川經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)的石墨烯新能源產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目，計(jì)劃投資85億元，實(shí)施年產(chǎn)3萬噸石墨烯改性三元材料及1萬噸石墨烯導(dǎo)電漿料項(xiàng)目等5個(gè)項(xiàng)目，項(xiàng)目建成后，可在銀川市形成石墨烯儲(chǔ)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(xué)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(jī)等小型數(shù)碼設(shè)備中應(yīng)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(duì)聲音。首先，成本和工藝的復(fù)雜性高，有學(xué)者認(rèn)為，石墨烯電池可能只能存在于實(shí)驗(yàn)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(rèn)為，石墨烯工作的可重復(fù)性常常都很差，所做技術(shù)與實(shí)用化目標(biāo)脫節(jié)嚴(yán)重。這一現(xiàn)象已經(jīng)廣受科研界中的有識(shí)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(lǐng)域的應(yīng)用對(duì)科技發(fā)展起到至關(guān)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(duì)于動(dòng)力電池而言，或許是下一代材料的突破口。而電池技術(shù)的發(fā)展，也在促進(jìn)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(xué)所領(lǐng)導(dǎo)的合作項(xiàng)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(diǎn)，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(xì)調(diào)節(jié)石墨烯在納米顆粒上的沉積時(shí)間來實(shí)現(xiàn)的。”
團(tuán)隊(duì)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(duì)其進(jìn)行表征，然后確定了它們?cè)谖鰵浞磻?yīng)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(yīng)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(yīng)溶液中。
研究人員進(jìn)行了理論計(jì)算來支持他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果證實(shí)了石墨烯層數(shù)、化學(xué)穩(wěn)定性和納米粒子的催化活性之間的關(guān)系。也就是說，涂覆少于三個(gè)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(jià)的；前者比后者表現(xiàn)出較差的化學(xué)穩(wěn)定性。
“我們的研究結(jié)果為在酸性條件下通過現(xiàn)場(chǎng)聚合物電解質(zhì)膜電解在氫站進(jìn)行大規(guī)模氫生產(chǎn)的穩(wěn)定、廉價(jià)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。
