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在座的石墨烯产品都是噱头?离实际应用还需时日

半导体行业观察  · 公众号  · 半导体  · 2016-09-23 08:43

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本文来自科学网,感谢作者付出,如转载不当,请及时联系后台,谢谢。


一种名为“烯王”的电池问世,该生产公司称其为石墨烯基锂电池。与普通电池相比,在满足5C(C表示电池充放电时电流大小的比率即倍率)条件下,石墨烯基锂离子电池可以实现15分钟内快速充放电。此前媒体报道的资料显示,该产品的石墨烯基锂离子电芯主要为18650圆柱电芯,正极采用石墨烯/磷酸铁锂复合材料,具有快速充放、循环寿命长、高低温性能佳等优点。而且,它还可在-30℃~80℃环境下工作,循环寿命更高达3500次左右。




生产公司表示,电芯具有良好的大倍率充放电性能和循环性能,可适用于移动能源、汽车动力电源、启停电源、无人机产品等,但遗憾的是,业内其他相关配套跟不上。


一时间,“烯王”引起了各方的关注。因为自从石墨烯电池概念问世以来,围绕它的讨论一直沸沸扬扬,其中的焦点问题有二:其一是它理论上可以实现的高性能,其二则是它的命名以及是否能成真。


难以实现的快充


早在几年前,石墨烯电池就被电动汽车行业寄予厚望。因为众所周知,电动汽车电池容量较大,充电时间较长。如果有一款经济实惠且耐用的快充电池提供给电动汽车,相信一定会为电动汽车开拓新的市场。


但是由于种种原因,千呼万唤的石墨烯电池却一直没有在电动车市场露面。


复旦大学高分子科学系教授卢红斌在接受《中国科学报》记者采访时解释了石墨烯电池“难产”的原因:在电池的学术领域中,快速充电一直是追求的目标,但是电池结构本身与快速充电两者之间有些矛盾。


“电池一般包括正极、负极、电解液和隔膜。理想状态下,电池中的电荷在两极之间自由通过,同时电解液不发生变化,隔膜也不被破坏。但实际上,这样的理想状况很难实现,尤其是在快速充电情况下。”卢红斌说道。


但在实际应用中,电荷“游走”在正负两极之间时,可能出现电池内部温度升高,电荷工作环境甚至电极结构发生改变,随之影响电解液(如分解放出气体)和隔膜(形成的晶体破坏隔膜)。当高速充电时,电荷迁移速度加快,就更容易让电池温度升高,一些不期望的副反应甚至结构性破坏就可能发生。


“所以说,高速充电对电池结构、隔膜、电解液的要求都将大幅提升。”卢红斌解释道。


当然,电荷运动的快慢与正负极的材料本身也有一定关系。目前市面上流行的两种电池包括磷酸铁锂电池和钴酸锂电池,前者因安全性好多用于电动汽车,后者价格相对低廉多用于手机。在这两种电池中,阳极往往采用能吸藏锂离子的碳极,放电时,锂离子脱离电池阳极,到达电池阴极;负极材料选择余地相对较大,包括各种碳材料,如天然石墨、合成石墨、碳纤维等。


但无论采用哪种材料,如果无法解决上述问题,依然做不出真正的长寿命快充电池。此时,石墨烯开始进入了科研人员的视野。


2015年,美国伦斯勒理工学院的研究者发现,使用石墨烯作为电池的阳极材料,其充放电速度将超过锂离子蓄电池的10倍。而此次“烯王”采用的是磷酸铁锂与石墨烯搭配作为电池正极。实际上,如前所述,电池能否快充,除了正极以外,其他各个部分的协调匹配同样重要,尤其是涉及电动汽车使用的动力电池,安全、高效和长寿命往往需要同时满足。


命名的困惑


不可否认,使用石墨烯作为电池的阳极材料的确在一定程度上提高了快速充放电性能,但业内人士认为,因为添加了石墨烯材料,就将锂离子电池命名为石墨烯电池也是不妥的。


哈尔滨工业大学化工学院电化学科学与工程系教授袁国辉在接受《中国科学报》记者采访时表示:“石墨烯电池的概念不符合行业命名原则,也不是行业共识。从专业的角度,电池的命名一般是遵循‘正极—负极活性材料’的规则,锂离子电池充放电时,成流反应是锂离子在正、负极材料中的嵌入和脱出的贡献。电极中添加石墨烯材料时,石墨烯的主要作用是提高电极的导电性,尽管可以提高电池的性能,石墨烯的角色并不是锂离子电池正负极的活性材料。”







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