石墨烯电池到底有什么优点
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石墨烯电池到底有什么优点

上海施努卡工业自动化有限公司 2022-03-24 9184 0


  石墨烯(Graphene):是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜,惟有一个碳原子厚度的二维材料。2004年,英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫,成功地在试验中从石墨中分离出石墨烯,而证实它可以单独存在,两人也因在二维石墨烯材料的开创性试验为由,共同获得2010年诺贝尔物理学奖。

  石墨烯目前是世上最薄但也是最坚硬的纳米材料,它几乎是完全透亮的,只吸收2.3%的光;导热系数高达5300W/m·K,高于碳纳米管和金刚石,常温下其电子迁移率超过15000cm2/V·s,又比纳米碳管或硅晶体高,而电阻率只约10-6·cm,比铜或银更低,为目前世上电阻率最小的材料。因为它的电阻率极低,电子跑的速度极快,因此被期望可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。(Via维基百科)

  简单来说,石墨烯是由碳原子组成的单层石墨,是惟有一个碳原子厚度的六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜(雷锋网按:最早的石墨烯就是用胶带一层一层地把石墨变薄而获得的),具有非常好的导热性、电导性、透光性,而且具有高强度、超轻薄、超大比表面积等特性,因而被誉为超级材料。

  凭借着多方面的优良特性,石墨烯的用途也非常广泛,可以被使用于锂离子电池电极材料、薄膜晶体管、传感器、半导体器件、复合材料制备、透亮显示触摸屏等方面。上文所提到的石墨烯电池就是其紧要的用途之一。

  石墨烯电池的卢山真面目

  近年来,网络上有关石墨烯电池的消息多且杂,一些媒体甚至将石墨烯电池宣传为锂离子电池的颠覆性革命。实际上并非如此。

  首先,我们要清楚一个概念,所谓石墨烯电池并非整个电池都用石墨烯材料制作,而是在电池的电极使用石墨烯材料。

  另外,石墨是锂离子电池中最常用的负极材料,充电时,Li嵌入到石墨层间形成插层化合物,Li完全嵌入时,每个石墨层都嵌入一层Li,对应化合物LiC6,理论比容量为372mAh/g。当每片单层石墨都以混乱无章的方式排列,则在单层石墨的两侧表面都可以结合Li,理论比容量提高了一倍,即744mAh/g。

  由于石墨烯的缺陷位、片层边缘及石墨烯堆积形成的微孔结构都可以存储Li。也就是说,在理论上石墨烯电极可能有超过石墨两倍的比容量。

  除此之外,倘若将石墨烯和SnO2,Mn3O4,CuO等电导率比较低的正极、负极纳米材料进行复合,如Li4Ti5O12、TiO2、LiFePO4等,或许将提高锂离子电池的循环性能。中科院金属研究所曾在PNAS发表论文,将正极材料LiFePO4和负极材料Li4Ti5O12分别与石墨烯复合,制备了LiFePO4-石墨烯/Li4Ti5O12-石墨烯为电极的具有高充放电速率的柔性锂离子电池,石墨烯作为锂离子及电子的通路,同时起到了导电添加剂和集流体的用途。

  倘若将石墨烯和炭黑混合后作为导电添加剂加入锂离子电池,或许可以有效降低电池内阻,提升电池倍率充放电性能和循环寿命,而且电池的弯折对充放电性能没有影响。而华为、高通此前通过大电流密度下充放电实现快速充电的做法电池寿命损失很大,尽管这一缺点在近年来已经改进了不少。相比之下,石墨烯电池的快速充电并不会像削减电池寿命,而且更加有技术层面的美感。



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