什么是石墨烯包覆技術(shù)？對鋰電池性能提升作用大嗎？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-04-28 19:51
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東旭光電推出的石墨烯基鋰電池產(chǎn)品“烯王”在上海納米中心正式全球發(fā)售。在此次石墨烯新產(chǎn)品研發(fā)項目中，深圳山木新能源科技股份有限公司(下稱“山木新能源”)承擔(dān)了石墨烯基鋰電池的制造生產(chǎn)任務(wù)。
山木新能源董事長助理第五飛龍介紹，烯王這款產(chǎn)品是公司采用東旭光電提供的石墨烯材料，配備自身的磷酸鐵鋰技術(shù)，完善石墨烯材料在生產(chǎn)應(yīng)用中的工藝和配方生產(chǎn)出來的，采用的是石墨烯包覆磷酸鐵鋰技術(shù)。
值得一提的是，在烯王產(chǎn)品發(fā)布會的前一天，東旭光電公告稱，計劃總投資16.5億元投建石墨烯基鋰電池項目，該項目分兩期建設(shè)，一期將于2016年12月開工建設(shè)。
其中，一期建設(shè)年產(chǎn) 10 噸石墨烯生產(chǎn)線一條，年產(chǎn) 1000 噸石墨烯包覆磷酸鐵鋰生產(chǎn)線一條，年產(chǎn) 1000 噸石墨烯包覆三元材料生產(chǎn)線一條，年產(chǎn) 2000 噸石墨烯包覆負極材料生產(chǎn)線一條，年產(chǎn) 0.2GWH 的石墨烯基鋰離子電芯和 pack 生產(chǎn)線一條。
高工產(chǎn)研鋰電研究所(GGII)分析師認為，石墨烯包覆正極材料對改善導(dǎo)電性有優(yōu)勢，但具體能否包覆好，技術(shù)工藝很關(guān)鍵。
石墨烯包覆正極材料技術(shù)對鋰電池的性能改善到底表現(xiàn)在哪里?該技術(shù)是否已經(jīng)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化?本文將對這些問題做深入闡述，以期對讀者有所裨益。
能否起到顛覆性作用?
以石墨烯包覆磷酸鐵鋰為樣本，高工鋰電網(wǎng)從動力電池企業(yè)、石墨烯企業(yè)、材料專家、第三方研究機構(gòu)等多方了解到，在包覆技術(shù)中，石墨烯實質(zhì)上還只是起到導(dǎo)電劑的作用，并未實現(xiàn)性能上根本性的顛覆作用。
一位廣東省知名大學(xué)教授表示，正極材料導(dǎo)電性差，傳統(tǒng)一般采用碳包覆的工藝。而要評價石墨烯包覆的作用，首先要明確石墨烯層數(shù)、導(dǎo)電性，以及具體使用的工藝手段。以類石墨烯為例，由于石墨烯是二維層狀結(jié)構(gòu)，如果分散均勻，可有效提高材料導(dǎo)電性。
上述大學(xué)教授還介紹，石墨烯本身具有一定的電化學(xué)容量，如果結(jié)構(gòu)控制得好，再加上高導(dǎo)電，對正極材料倍率、循環(huán)性能都有提升。但如果控制不好，便會產(chǎn)生更大的SEI膜，性能將變得更糟。
“目前文獻中各種結(jié)構(gòu)都有，實驗結(jié)果大部分都是性能增加的，但是大規(guī)模生產(chǎn)能否達到文獻報道的水平就不得而知了。”
以目前正計劃大規(guī)模生產(chǎn)的石墨烯基鋰電池產(chǎn)品——烯王為例，與普通的鋰電池相比，該款鋰電池在性能上到底產(chǎn)生了哪些變化呢?
山木新能源董事長陳明軍透露，采用石墨烯包覆技術(shù)后，電池容量影響不大，但這款產(chǎn)品是在磷酸鐵鋰前軀體中進行石墨烯包覆，在石墨烯溶入后，其電化學(xué)特性提高了很多，具體體現(xiàn)在：電池內(nèi)阻降低從而使快充性能提高;由于熱下降延長壽命，高低溫影響降低，提高了安全性。
產(chǎn)業(yè)化“痛點”在哪?
通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在石墨烯包覆過程中，企業(yè)也會遇到一些難題。其中需要解決的關(guān)鍵問題有兩個：一是石墨烯自身的導(dǎo)電性能，這與其層數(shù)有相當(dāng)大的關(guān)系。
從導(dǎo)電機理分析，石墨烯通過點面接觸來導(dǎo)電。一般而言，接觸的面積越大導(dǎo)電性能就會越好。有業(yè)內(nèi)人士認為，片層較厚的石墨烯會阻礙鋰離子的擴散而降低極片的離子電導(dǎo)率，6-9層最為適宜。
二是如何有效均勻分散。分散的效果不好將導(dǎo)致材料成團，最終破壞導(dǎo)電性能及離子傳輸性。
陳明軍也坦誠，石墨烯包覆過程中會有產(chǎn)氣問題。但其透露，山木新能源已經(jīng)解決該問題。
實際應(yīng)用嘗試者多?
其實目前電池企業(yè)使用石墨烯有兩種方式：一是在做電池漿料的時候，添加石墨烯與正極材料混合，目前做此嘗試的電池廠商較多;二是在生產(chǎn)正極材料的時候進行包覆，成熟產(chǎn)品還沒有廣泛上市。
而目前除東旭光電的“烯王”產(chǎn)品使用石墨烯包覆技術(shù)外，其余電池企業(yè)多采用在正極材料中加入石墨烯漿料方式。
陳明軍介紹，烯王采用分子內(nèi)包覆，比物理混合效果要好，而且在分子內(nèi)包覆有很多優(yōu)點，當(dāng)然石墨烯在其中也會起到導(dǎo)電作用。
比亞迪技術(shù)首席劉衛(wèi)平則透露，公司把石墨烯作為導(dǎo)電劑使用已經(jīng)有2-3年了，由于石墨烯導(dǎo)電性比其他導(dǎo)電劑更好，可以適當(dāng)減少添加量，從而省出空間給活性材料，使用后相比普通的磷酸鐵鋰電池容量會提升3-5%，成本上也會比碳納米管的還低一些。
GGII分析師認為，采用石墨烯包覆技術(shù)后，鋰電池材料性能可以改善，比如提高材料導(dǎo)電性，提升電池循環(huán)性能、功率性能，容量也可以提升一點(非常少，可以忽略)，但最終想要提升能量密度是不能指望導(dǎo)電劑的，關(guān)鍵點還在正負極活性材料上?！′囯x子電池存在的一個主要挑戰(zhàn)在于：相對于負極材料，正極材料的容量相對較低。V2O5，由于其較高的理論容量，被視為一種極具應(yīng)用前景的正極材料。那么，問題就來了：其容量雖高，但是容量保持率較差，比率放電能力偏低。
有鑒于此，Wang等人報道了一種基于金屬陰離子吸附機理制備的中空多殼層V2O5微球，和常規(guī)金屬陽離子吸附機理大不相同。
