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電池知識(shí)

現(xiàn)在很多產(chǎn)品打著石墨烯的名稱,到底真實(shí)石墨烯發(fā)展現(xiàn)狀是如何的?

來源:寶鄂實(shí)業(yè)    2019-05-17 14:53    點(diǎn)擊量:

言歸正傳,說這是石墨烯超級(jí)電池是不準(zhǔn)確的。這個(gè)團(tuán)隊(duì)只是利用規(guī)則的立體石墨烯泡沫對(duì)鋁離子電池進(jìn)行了改進(jìn),解決了鋁離子電池陰極不耐操的問題

 

這個(gè)改良有效的增加了鋁離子電池的能量密度(從30-60 Wh/kg 到 66Wh/kg),功率密度(從3-30kW/kg 到 175 kW/kg)和可重復(fù)充電性(從25k cycle到100k cycle)。

總體上說容量還是被鋰電池完爆,但是功率和重復(fù)性和超級(jí)電容持平(文章觀點(diǎn))。

此外,比起鋰離子電池,文章中提到鋁離子基本上算無限的資源,所以說比鋰電池要經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。


但是作者這個(gè)觀點(diǎn)是非常有誤導(dǎo)性的,雖然鋁電池的電解質(zhì)材料便宜,但是作為電池整體更多應(yīng)該考慮一下以當(dāng)前工藝制造這種石墨烯電極的成本:
“GF-HC film was fabricated by either cast-coating (10) or wet-spinning (11) graphene oxide (GO) liquid crystal solution into GO film (12), followed by chemical reduction for producing reduced GO (rGO) film (Fig. 1B) and high-temperature annealing. Assembling of GO liquid crystal contributes to highly aligned graphene sheet structure, leading to higher electrical conductivity and mechanical properties than graphene foams composed of nonoriented graphene sheets (13). The rGO film was then annealed at 2850°C to restore atomic defects, converting into tens of centimeter-long continuous silvery GF (Fig. 1C). Such a high-quality, highly oriented GF could meet the requirements (i), (ii), and (iii) simultaneously. To access smooth paths for fast transportation of ions and permeation of electrolyte [for example, requirement (iv)], we introduced continuous channels into GF during thermal annealing by using a gas pressure effect caused by deoxygenating reaction (fig. S1A) (10, 14). The in situ gas pressure gave rise to hierarchically connected channels among graphene layers for both horizontal permeation and vertical infiltration. Thus, an ideal GF-HC cathode could be achieved with well-designed trihigh (that is, high quality, high orientation, and high channeling) and tricontinuous (that is, continuous electronic conductor of graphene matrix, continuous electrolyte/ion penetration way of channel network, and continuous active material of few-layered graphene framework) structures (15). As a comparison, control GF samples with fewer channels were fabricated, defined as GF-p with 0.2-kPa pressure and GF-Hp with 1-kPa pressure during annealing (see Materials and Methods).”

目前的資本市場(chǎng)對(duì)于石墨烯電池存在巨大的想象空間,但也有不少學(xué)者認(rèn)為,石墨烯電池目前多方面技術(shù)難以突破,因此還是一種處于實(shí)驗(yàn)室的產(chǎn)物,距離其真正量產(chǎn)仍然遙遙無期。

中國石油大學(xué)教授李永峰持質(zhì)疑態(tài)度。他認(rèn)為,目前石墨烯在電池上的應(yīng)用,主要是和硅結(jié)合在電池負(fù)極里面代替原來的石墨,這樣可以提升電池的整體容量和充電速度,但性能提升效果有限,網(wǎng)上傳言顛覆式提升并不太現(xiàn)實(shí)。

此外,石墨烯表面特性受化學(xué)狀態(tài)影響巨大,批次穩(wěn)定性、循環(huán)壽命等問題也比較難以滿足鋰電池生產(chǎn)的細(xì)致要求。

中信建投的報(bào)告同樣顯示,具備優(yōu)異性質(zhì)的石墨烯產(chǎn)品何時(shí)能走出實(shí)驗(yàn)室仍然是未知數(shù)。例如石墨烯作為透明導(dǎo)電膜使用時(shí),其工業(yè)產(chǎn)品的制備便存在一定的瓶頸,使得產(chǎn)品中石墨烯原油的電導(dǎo)率低等特性無法發(fā)揮。由于單層石墨烯沒有帶隙,無法實(shí)現(xiàn)邏輯電路必需的晶體管開關(guān)功能,工藝復(fù)雜性程度大幅提高,因此其在微電子領(lǐng)域的廣泛使用還有待時(shí)日。

之前三星宣布開發(fā)石墨烯電池的時(shí)候,就已經(jīng)在材料圈子招了一波嘲諷了

“石墨烯電池”:不曾存在,僅僅是看起來很美而已石墨烯在鋰離子電池中的應(yīng)用,主要可能的方向一是作為導(dǎo)電劑,二是作為負(fù)極電極嵌鋰材料。其實(shí)在這兩點(diǎn)上,石墨烯都是在和傳統(tǒng)的導(dǎo)電炭黑/石墨競爭。因此,嚴(yán)格意義來說,我們討論的并不是“石墨烯電池怎么樣”,而是石墨烯用在鋰離子電池中有沒有前途這樣的一個(gè)問題
a、成本問題
傳統(tǒng)導(dǎo)電炭黑和石墨都是論噸賣的(一噸幾萬元),論克賣的石墨烯哪天能降到這個(gè)價(jià)?即使按照某些媒體報(bào)道的石墨烯降低到3元/克,換算成噸也要300萬元/噸。要知道,現(xiàn)在鋰電池用的各種材料,都是一噸幾萬十萬左右的東西,而且天天承受著社會(huì)各界要求降價(jià)的壓力,用石墨烯替代完全不現(xiàn)實(shí)。
b、工藝特性不兼容
石墨烯比表面積過大,會(huì)對(duì)現(xiàn)有鋰離子電池的分散均漿等工序帶來一大堆工藝問題。如果電池廠調(diào)工藝會(huì)累死,又沒有性能指標(biāo)突破性進(jìn)步帶來的足夠的利潤空間驅(qū)動(dòng),誰愿意上這個(gè)技術(shù)?石墨烯表面特性受化學(xué)狀態(tài)影響巨大,批次穩(wěn)定性,循環(huán)壽命等等都有很多問題,目前來看無法滿足鋰電池生產(chǎn)的一堆細(xì)致的要求。
c、石墨烯就是成本低了也不是硅負(fù)極的對(duì)手
如果石墨烯做負(fù)極(取代理論容量360mAh/g的石墨):理論上最多是石墨負(fù)極兩倍的容量(720mAh/g),首次效率低的嚇人,性能受表面狀態(tài)影響極大,為什么不用硅?(硅的理論容量近石墨的10倍,在抑制粉化開裂方面這幾年來已經(jīng)有了很多科研和工業(yè)等級(jí)的成果)。硅負(fù)極這兩年受到了各大電池廠商的重視,其中領(lǐng)軍企業(yè)松下的4Ah18650電池就已經(jīng)開始使用硅/碳復(fù)合材料負(fù)極,只是目前硅負(fù)極材料的循環(huán)壽命還不是足夠的理想,因此還主要針對(duì)消費(fèi)電子市場(chǎng)用途。
d、投入實(shí)用,到底有利還是有害,其實(shí)不太好說
石墨烯是可以做導(dǎo)電劑促進(jìn)快充放,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,一切都是空中樓閣;另外碳家族物美價(jià)廉的材料多的很,并不存在非要使用價(jià)格昂貴的石墨烯的理由;并且而且石墨烯是2D材料,如果把它展開與電極活性物質(zhì)復(fù)合,會(huì)堵塞鋰離子擴(kuò)散的通道。
e、石墨烯功能涂層鋁箔
其實(shí)際性能跟普通碳涂覆鋁箔(A123聯(lián)合漢高開發(fā))并無多少提高,反倒是成本和工藝復(fù)雜程度增加不少,該技術(shù)商業(yè)化的可能性很低。
總結(jié)一下:石墨烯用于鋰離子電池,相對(duì)于傳統(tǒng)炭系材料并無性能上的明顯優(yōu)勢(shì),而且納米材料應(yīng)用困難,成本高昂,發(fā)展前景堪憂。

誠然,石墨烯被認(rèn)為是未來最具潛力的材料之一,但就目前而言,它的泡沫成分大于實(shí)際應(yīng)用價(jià)值,阻礙這種材料普及的因素很多,可量產(chǎn)性和成本則是最主要的普及障礙,石墨烯電池要想在短期內(nèi)徹底取代鋰電池恐怕還有很長的路要走。


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