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石墨烯电池可能取代锂电池技术?

来源:作者: 日期:2020-01-14 浏览:

与石墨比较,不具有层状结构的石墨烯用作锂电负极的工业化远景不达观。从现在技能开展阶段来看,石墨烯电池没有呈现。

不久前,某闻名厂商在法国官方推特上发布音讯,预告其将是第一个装备“石墨烯电池”的手机品牌,并指出这种电池比曾经的类型充电速度更快、更经用、更细巧。尽管不久这则音讯被删去,但这再次引起了人们对石墨烯及其在电池中所起效果的重视。那么,现在究竟有没有“石墨烯电池”?当石墨烯遇到电池又会给咱们带来哪些惊喜呢?

石墨烯+锂电池≠石墨烯电池

咱们知道,锂电池由正极、负极、隔阂、电解液四大资料构成,现在首要运用的负极资料为石墨。而石墨烯是从石墨中剥离出来、由碳原子组成的只要一层原子厚度(0.35纳米)的二维晶体,各项功能优于石墨,具有极强导电性、超高强度、高韧性、较高导热功能等,被誉为“新资料之王”。人们期望其替代石墨充任电池负极,或许用于锂电池其他要害资料,以期将锂电池的能量密度和功率密度大幅进步。

现在,很多人将含有石墨烯资料的电池称为“石墨烯电池”。“其实,称这些电池为石墨烯电池并不十分科学和谨慎,而且这个概念也不符合职业命名准则,非职业一致。”教育部长江学者、国家杰出青年科学基金获得者、天津大学化工学院教授杨全红在承受科技日报记者采访时指出,石墨烯因其共同的物理化学性质,现已在锂电池中展示出巨大的运用潜力。可是,作为一种碳纳米资料,石墨烯之于锂电池并未超呈现在常用碳资料的效果领域。尽管现在科技论文、企业产品等关于石墨烯进步锂电池功能的音讯层出不穷,但其中心储能机理并未因石墨烯的参加而改动,因而将添加了石墨烯的锂电池称为石墨烯电池并不恰当。

此外,从专业的视点,电池即使以要害资料命名,也一般遵从“正极—负极活性资料”的规矩,锂电池的充放电,由锂离子在正、负极资猜中的嵌入和脱出来完结。因而,假如命名为石墨烯电池,则石墨烯应该是首要的电极资料,但现在石墨烯相似添加剂,在电池中的首要效果是进步电极的导电性或许导热/散热特性,并不是电池正负极的活性资料。因而并不能将这样的电池命名为石墨烯电池,而将之称为石墨烯基锂电池则更精确。

“从现在技能开展阶段来看,石墨烯电池没有呈现。石墨具有层状结构,这种结构给锂离子的嵌入设置了一个闸门,是锂电池具有充放电渠道和高库仑功率的决定因素,也是其成为锂电池要害资料的重要因素之一。”杨全红说,比较而下,不具有层状结构的石墨烯用作锂电负极的工业化远景不达观,纯石墨烯的充放电曲线与硬碳和活性炭资料十分相似,还有初次循环库仑功率低、没有充放电渠道及循环安稳性差的缺陷。因而,现在纯的石墨烯不存在替代石墨类资料直接用作锂电池负极的或许性。但石墨烯基复合资料有或许作为高功能电极资料推进锂电池工业的开展。

“添加剂”让电池功能进步

“5G年代降临,人们迫切需要电池能够做到快速充放电、热传导快、能量密度高级功能。不可否认的是,‘添加剂’石墨烯能够使锂电池功能显着进步,部分处理现在的工业瓶颈。”杨全红标明。

据介绍,碳导电剂关于锂电池必不可少,但很多非活性、轻组分的碳导电剂会下降电池体积能量密度(单位体积贮存的能量),这成为锂电池开展的重要瓶颈。杨全红说,将石墨烯用作锂电池导电剂,能够极大添加碳导电剂的单位碳原子导电功率,一改碳黑等传统导电添加剂“点—点”触摸形式为“面—点”触摸形式,能够构建“至柔至薄至密”的导电网络,大幅下降不奉献容量的碳导电剂用量,处理碳导电剂用量与高能量需求之间的对立,明显进步电池的体积能量密度和充放电功能。

此外,因为石墨烯具有杰出的热传导性质,现在干流手机厂商将石墨烯作为散热资料运用。作为热量的优秀导体,石墨烯同高活性物质的有用触摸、维护,一方面可下降电解液在其外表的副反应放热;另一方面临其充放电,特别是快速充放电发生的很多热可完成有用的热传递,下降电池作业过程中的热危险与热失控,让整个电池系统的热循环更安稳。

迅猛开展的电动汽车和3C电子等移动智能终端运用,要求二次电池具有尽量小的体积和尽量高的体积能量密度。纳米技能使二次电池的质量能量密度和充放电速度大幅进步,但体积能量密度却很难经过纳米化技能进步。杨全红标明,纳米资料的细密化是使电极资料一起具有高的质量和体积功能的必经之路。石墨烯是碳资料的根本结构单元,近期的研讨标明,根据胶体化学的石墨烯细密化技能,能够完成多孔碳纳米资料的细密化,就像将膨化食品转化为压缩饼干。这种技能在锂电池中最直接的运用便是,能够完成高功能硅碳电极的细密化,使单位体积锂电池的容量大幅添加,为消除电动汽车的路程焦虑和3C电子等智能终端电池的小型化供给处理方案。这或许成为未来石墨烯在进步锂电池功能方面的重要运用。

或许替代锂电池的技能

当今的移动国际已离不开锂电池。美国阿贡国家实验室动力存储联合研讨中心负责人乔治·克拉布特里曾说:“这是有史以来最好的电池技能。”不过,许多研讨者以为,锂电池的能量密度现已挨近其天花板。

那么,未来会有哪些能够替代锂电池的技能?

据《科学美国人》杂志介绍,全球科研作业者正在尽力探究不同的技能道路,如锂硫电池、镁电池、空气电池、液流电池等。

2013年,美国化学工程师埃尔顿·凯恩斯根据锂—硫技能研制出一种仅硬币巨细的新式化学电池,在美国劳伦斯伯克利国家实验室阅历1500次充放电循环后,电池容量只丢失一半。据介绍,因为金属锂负极的运用,理论上锂—硫电池能量密度是锂电池的5倍多。制作电池的PolyPlus公司在实践中发现,添加硫和削减电解液会使电池更简单坏掉。不过英国Oxis动力公司看好锂—硫电池的远景,正在尽力开发高能量密度且可运用于电动汽车的锂—硫电池。

一些研讨者以为,比较锂,下一代电池应该运用更重的元素,比方镁。比较于一价的锂离子,二价的镁离子能带着两个电荷,这意味着能够开释的电能进步了一倍。不过,带着两个电荷的镁离子移动速度缓慢,难以经过电解液和电极,就像是在黏稠的糖浆中穿行。

美国劳伦斯伯克利国家实验室资料科学家克里斯廷·佩尔松和麻省理工学院资料科学家赫布兰德·塞德建立Pellion技能公司研制高容量镁电池。其2013年末揭露的一大批专利标明,他们正在研制更敞开的电极结构,促进镁离子快速传输。各大电子产品公司包含丰田、LG、三星和日立等,都在研制相似的镁电池。(记者 华凌 通讯员 张辰)

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