石墨烯電池是什么 究竟有何優(yōu)勢(shì)？
來(lái)源：未知
2020-02-04 10:26
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石墨烯（Graphene）：是一種由碳原子以 sp2 雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個(gè)碳原子厚度的二維材料。2004 年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功地在實(shí)驗(yàn)中從石墨中分離出石墨烯，而證實(shí)它可以單獨(dú)存在，兩人也因“在二維石墨烯材料的開(kāi)創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)”為由，共同獲得 2010 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
石墨烯目前是世上最薄但也是最堅(jiān)硬的納米材料，它幾乎是完全透明的，只吸收 2.3% 的光；導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá) 5300 W/m·K，高于碳納米管和金剛石，常溫下其電子遷移率超過(guò) 15000 cm2/V·s，又比納米碳管或硅晶體高，而電阻率只約 10-6 Ω·cm，比銅或銀更低，為目前世上電阻率最小的材料。因?yàn)樗碾娮杪蕵O低，電子跑的速度極快，因此被期待可用來(lái)發(fā)展出更薄、導(dǎo)電速度更快的新一代電子元件或晶體管。（Via 維基百科）
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，石墨烯是由碳原子組成的單層石墨，是只有一個(gè)碳原子厚度的六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜（雷鋒網(wǎng)按：最早的石墨烯就是用膠帶一層一層地把石墨變薄而獲得的），具有非常好的導(dǎo)熱性、電導(dǎo)性、透光性，而且具有高強(qiáng)度、超輕薄、超大比表面積等特性，因而被譽(yù)為“超級(jí)材料”。
憑借著多方面的優(yōu)良特性，石墨烯的用途也非常廣泛，可以被應(yīng)用于鋰離子電池電極材料、薄膜晶體管、傳感器、半導(dǎo)體器件、復(fù)合材料制備、透明顯示觸摸屏等方面。上文所提到的“石墨烯電池”就是其主要的用途之一。
石墨烯電池的盧山真面目
近年來(lái)，網(wǎng)絡(luò)上關(guān)于石墨烯電池的消息多且雜，一些媒體甚至將石墨烯電池宣傳為“鋰電池的顛覆性革命”。實(shí)際上并非如此。
首先，我們要清楚一個(gè)概念，所謂石墨烯電池并非整個(gè)電池都用石墨烯材料制作，而是在電池的電極使用石墨烯材料。
另外，石墨是鋰離子電池中最常用的負(fù)極材料，充電時(shí)，Li 嵌入到石墨層間形成插層化合物，Li 完全嵌入時(shí)，每個(gè)石墨層都嵌入一層 Li，對(duì)應(yīng)化合物 LiC6，理論比容量為 372mAh/g。當(dāng)每片單層石墨都以雜亂無(wú)章的方式排列，則在單層石墨的兩側(cè)表面都可以結(jié)合 Li，理論比容量提高了一倍，即 744mAh/g。
由于石墨烯的缺陷位、片層邊緣及石墨烯堆積形成的微孔結(jié)構(gòu)都可以存儲(chǔ) Li。也就是說(shuō)，在理論上石墨烯電極可能有超過(guò)石墨兩倍的比容量。
注：上圖為復(fù)合電極材料結(jié)構(gòu)圖
除此之外，如果將石墨烯和 SnO2，Mn3O4，CuO 等電導(dǎo)率比較低的正極、負(fù)極納米材料進(jìn)行復(fù)合，如 Li4Ti5O12、TiO2、LiFePO4 等，或許將提高鋰離子電池的循環(huán)性能。中科院金屬研究所曾在 PNAS 發(fā)表論文，將正極材料 LiFePO4 和負(fù)極材料 Li4Ti5O12 分別與石墨烯復(fù)合，制備了 LiFePO4-石墨烯 / Li4Ti5O12- 石墨烯為電極的具有高充放電速率的柔性鋰離子電池，石墨烯作為鋰離子及電子的通路，同時(shí)起到了導(dǎo)電添加劑和集流體的作用。
如果將石墨烯和炭黑混合后作為導(dǎo)電添加劑加入鋰電池，或許可以有效降低電池內(nèi)阻，提升電池倍率充放電性能和循環(huán)壽命，而且電池的彎折對(duì)充放電性能沒(méi)有影響。而華為、高通此前通過(guò)大電流密度下充放電實(shí)現(xiàn)快速充電的做法電池壽命損失很大，盡管這一缺點(diǎn)在近年來(lái)已經(jīng)改進(jìn)了不少。相比之下，石墨烯電池的快速充電并不會(huì)像削減電池壽命，而且更有技術(shù)層面的美感。
