鉅大LARGE | 點擊量：355次 | 2023年08月12日
石墨烯將幫鋰電池實現(xiàn)顛覆性突破?
1、鋰離子電池發(fā)展現(xiàn)狀
相比于普通電池，鋰離子電池具有比能量高、自放電小、使用壽命長、高低溫適應性強和綠色環(huán)保等優(yōu)點，是現(xiàn)代高性能電池的優(yōu)先選擇，已成為便攜式電子產品和電動汽車的電源。新能源汽車（重要是電動汽車）市場持續(xù)快速擴張帶動鋰離子動力鋰電池需求猛漲，截止到2017年八月三十一日我國新能源汽車累計產銷量超過100萬輛，年均增幅超過200%，僅2017年前十月新能源汽車累計銷量就高達49萬輛。
當前商業(yè)化的鋰離子電池材料體系重要是正極鈷酸鋰、磷酸鐵鋰和負極石墨。盡管石墨的儲鋰容量能達到372(mAh)/g，允許鋰離子自由的嵌入和脫嵌，形成相對穩(wěn)定的固體電解質界面膜，取代了鋰金屬成為工業(yè)界標準負極材料，但其能量密度過低，成為限制其高端電池應用的瓶頸。目前鋰離子電池比能量已達140(Wh)/kg，雖是鎳鎘電池的3倍，鎳氫電池的1.5倍，但仍不能完全滿足當前市場關于動力鋰電池的性能需求。我國政府在十三五新能源汽車試點專項的共性關鍵技術類研究項目高比能量鋰離子電池技術中提出：到2020年，電池單體能量密度300（Wh）/kg，循環(huán)壽命1500次，成本0.8元/（Wh），安全性能達到國標要求。因此，在當前商業(yè)化應用鋰離子電池材料體系基礎上，如何開發(fā)出新型高性能復合電極材料是加快突破鋰離子電池發(fā)展瓶頸的關鍵，具有重要的科學意義和應用價值。
2、石墨烯的特點及其在鋰離子電池中應用潛力分析
石墨烯具有獨特的單層二維結構，僅一個原子層厚，約0.34nm，相當于頭發(fā)絲直徑的十五萬分之一，是目前已知的厚度最薄、強度最高、結構最致密的納米材料，同時具備透光性好（透光率97.7%）、導熱系數(shù)高（5300W/（mK），金剛石的3倍）、電子遷移率高（1.5×104cm2/Vs，商業(yè)硅片的10倍）、比表面積高（2630m2/g）、機械強度高(1TPa)等性能，號稱黑金，是新材料之王，科學家甚至預言石墨烯將徹底改變21世紀。
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%
在鋰離子電池領域中，石墨烯已顯示出顛覆性潛質的特殊功能：一是石墨烯優(yōu)良的導電和導熱特性，使其具有良好的電子傳輸通道和循環(huán)穩(wěn)定性，實現(xiàn)電池安全、快速充放電，且能延長使用壽命；二是石墨烯片層間距大于結晶性良好的石墨，使鋰離子在石墨烯片層之間擴散通暢，利于鋰離子電池功率性能的提高；三是石墨烯是單層碳原子，上下表面均可存儲鋰離子，且由于制備過程中引入缺陷、邊緣懸掛鍵等，這些位置均可存儲鋰離子，提高存儲容量，所以理論上其容量可能是石墨烯的兩倍，高達744(mAh)/g。石墨烯在鋰離子電池領域應用將使性能發(fā)生質的飛躍。
3、石墨烯在鋰離子電池中的應用情況
3.1科技強國大力支持石墨烯的發(fā)展
2013年歐盟委員會選定石墨烯項目為未來新興技術旗艦項目；2014年，英國在曼徹斯特大學投資6000萬英鎊，加速石墨烯產品產業(yè)化、市場化；同年，美國共投入2800萬美元，支持石墨烯及其相關二維材料基礎研究；日本以綠色低碳為著眼目標，大力支持石墨烯批量制備技術研發(fā)；2012～2018年韓國向石墨烯投入2.52億美元，用于技術開發(fā)和商業(yè)化應用研究；2015年底我國工信部等三部委聯(lián)合出臺《有關加快石墨烯產業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的若干意見》，將石墨烯納入十三五國家戰(zhàn)略性新興產業(yè)發(fā)展規(guī)劃重點發(fā)展對象，據(jù)報道，我國相關公司已發(fā)展了液相低聚物法合成單原子層石墨烯、多相量子自耦反應技術等的石墨烯產業(yè)化技術，實現(xiàn)規(guī)?；a。
3.2石墨烯在鋰離子電池中應用的最新進展
2016年十二月，華為公布5min即可充滿3000mAh電池48%電量的快充技術成果，該電池采用新型材料石墨烯，可實現(xiàn)鋰離子電池與環(huán)境間的高效散熱，電池上限使用溫度提高10℃，壽命是普通鋰離子電池2倍。2017年八月Fisker公布首款搭載石墨烯電池技術的電動超跑，石墨烯技術能延長續(xù)航里程、電池壽命，同時加快充電時間，新車最大速度為259km/h，續(xù)航里程達644km（特斯拉續(xù)航里程不到500km）。2017年十一月，三星宣布開發(fā)出石墨烯電池技術，電池容量比目前市面上的電池高出45%，充電速度提升到現(xiàn)有標準的5倍，12min即可充滿，相關成果已發(fā)表于《自然通訊》雜志上，并在韓國和美國申請了專利。根據(jù)調研分析，當前石墨烯產業(yè)化應用的電池產品有石墨烯復合磷酸鐵鋰正極材料和石墨烯包覆石墨負極材料。
4、石墨烯在鋰離子電池中的大規(guī)模應用難點與爭議
4.1高質量、低成本石墨烯的制備是制約石墨烯應用的難點
現(xiàn)有石墨烯的有效產業(yè)化制備工藝氧化還原法，雖可大規(guī)模制備，但制得的石墨烯具有缺陷且在其基面上引入了官能團，使性能大幅下降，且層數(shù)越少，規(guī)?；a越難，成本越高。制備出結構穩(wěn)定、形貌可控的高質量石墨烯，并且降低石墨烯宏量制備的成本是制約石墨烯應用的難點。
4.2對石墨烯在鋰離子電池中大規(guī)模應用的爭議
石墨烯作為一種有望替代、彌補或顛覆傳統(tǒng)材料的先進材料，產業(yè)界仍存在不同的聲音，重要集中在三個方面：一是在電化學原理上，石墨烯沒有充分顯露顛覆性的潛質；二是在鋰離子電池中，石墨烯最快應用在鋰離子電池的負極與導電劑材料，控制其成本問題和工藝兼容性，仍是當前亟待解決的關鍵產業(yè)問題；三是目前石墨烯應用比較成熟的領域多集中在中低端添加石墨烯類的產品，真正能夠顯示石墨烯特殊性能的高端應用尚在實驗室中，短時間內批量生產和商用還有些困難。
5、結語
石墨烯的性能毋庸置疑，其在鋰離子電池領域的應用符合市場對鋰離子電池的更高需求，盡管目前還存在不少挑戰(zhàn)，但坐而言、不如起而行，隨著石墨烯在其他領域應用研究的繼續(xù)開展，以及制備技術的成熟，石墨烯在鋰離子電池領域的發(fā)展前景可期。
