鉅大LARGE | 點擊量：998次 | 2022年03月31日
石墨烯在鋰離子電池中的大規(guī)模應(yīng)用難點和爭議解析
在科學技術(shù)高度發(fā)達的今天，各種各樣的高科技出現(xiàn)在我們的生活中，為我們的生活帶來便利，那么你了解這些高科技可能會含有的石墨烯嗎?
1鋰離子電池發(fā)展現(xiàn)狀
與普通電池相比，鋰離子電池具有比能量高、自放電小、使用壽命長、高低溫適應(yīng)性強、綠色環(huán)保等優(yōu)點。它們是現(xiàn)代高性能電池的首選，已成為便攜式電子產(chǎn)品和電動汽車電源供應(yīng)。新能源汽車(重要是電動汽車)市場的持續(xù)快速擴張，帶動鋰離子動力鋰離子電池需求猛增。
當前商業(yè)化的鋰離子電池材料系統(tǒng)重要是陰極鈷酸鋰，磷酸鐵鋰和陽極石墨。雖然石墨的儲鋰容量可以達到372(mAh)/g，允許鋰離子自由嵌入和脫出，形成相對穩(wěn)定的固體電解質(zhì)界面膜，取代鋰金屬成為行業(yè)標準負極材料，但其能量密度過高.低，成為制約其高端電池應(yīng)用的瓶頸。目前鋰離子電池的比能量已達到140(Wh)/kg，是鎳鎘電池的3倍，鎳氫電池的1.5倍，但仍不能完全滿足目前市場的性能動力鋰離子電池的要求。我國政府在“十三五”新能源汽車試點共性關(guān)鍵技術(shù)研究項目中提出的高比能量鋰離子電池技術(shù)：到2020年，電池單體能量密度為300(Wh)/kg，循環(huán)壽命1500次，成本0.8元/(Wh)，安全性能符合國家標準要求。因此，基于目前鋰離子電池材料體系的商業(yè)應(yīng)用，如何開發(fā)新型高性能復(fù)合電極材料是加快突破鋰離子電池發(fā)展瓶頸的關(guān)鍵，具有重要的科學意義和應(yīng)用價值。
2石墨烯的特點及其在鋰離子電池中應(yīng)用潛力分析
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
石墨烯具有獨特的單層二維結(jié)構(gòu)，只有一層原子層厚，約0.34nm，相當于人類頭發(fā)直徑的千分之一。它是目前已知的最薄、最強和最致密的結(jié)構(gòu)。納米材料具有良好的透光率(97.7%透光率)、高熱導(dǎo)率(5300W/(mK)，是金剛石的3倍)、高電子遷移率。
在鋰離子電池領(lǐng)域，石墨烯具有潛在的顛覆性特點：首先，石墨烯具有優(yōu)良的電學和熱學性能，使其具有良好的電子傳輸通道和循環(huán)穩(wěn)定性，并實現(xiàn)了電池的安全性和快速的充放電，并能延長使用壽命;二是石墨烯層間距大于結(jié)晶度好的石墨層間距，使鋰離子在石墨烯片間順利擴散，有利于鋰離子電池動力性能的提高;第三是石墨烯是單層碳原子，上下表面可以儲存鋰離子，并且由于制備過程中引入了缺陷、邊緣懸空鍵等，這些位置可以儲存鋰離子，新增了存儲容量，因此理論上其容量可能是石墨烯的兩倍，最高可達744(mAh)/g。石墨烯在鋰離子電池領(lǐng)域的應(yīng)用，將帶來性能上的質(zhì)的飛躍。
3石墨烯在鋰離子電池中的大規(guī)模應(yīng)用難點與爭議
3.1高質(zhì)量、低成本石墨烯的制備是制約石墨烯應(yīng)用的難點
氧化還原法是一種行之有效的石墨烯工業(yè)化制備工藝，雖然可以大規(guī)模制備，但得到的石墨烯存在缺陷，在其基面引入了官能團，大大降低了性能，且層數(shù)較少，規(guī)模越大?；どa(chǎn)越困難，成本越高。制備結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、形貌可控的高質(zhì)量石墨烯，降低石墨烯宏觀制備的成本是制約石墨烯應(yīng)用的難點。
3.2對石墨烯在鋰離子電池中大規(guī)模應(yīng)用的爭議
石墨烯是一種有望替代、彌補或顛覆傳統(tǒng)材料的先進材料。業(yè)內(nèi)仍有不同的聲音，重要集中在三個方面：一是在電化學原理上，石墨烯并沒有充分展現(xiàn)其顛覆性的潛力;二是在鋰離子電池中，石墨烯是最快應(yīng)用于鋰離子電池負極和導(dǎo)電材料的。控制其成本和工藝兼容性仍是行業(yè)亟待解決的關(guān)鍵問題。第三是石墨烯應(yīng)用的當前比較。成熟領(lǐng)域多集中在低端和低端石墨烯產(chǎn)品。能夠真正展現(xiàn)石墨烯特殊性能的高端應(yīng)用還處于實驗室階段，在短時間內(nèi)實現(xiàn)量產(chǎn)和商業(yè)化應(yīng)用還有些困難。
石墨烯的性能毋庸置疑。其在鋰離子電池領(lǐng)域的應(yīng)用，滿足了市場對鋰離子電池更高的需求。雖然還有很多挑戰(zhàn)，但最好是開始。隨著現(xiàn)場應(yīng)用研究的不斷發(fā)展和制備技術(shù)的成熟，石墨烯在鋰離子電池領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景。
