石墨烯包覆技术对锂电池性能提升有多大的作用?

2018-10-18      1824 次浏览

9月8日,东旭光电推出的石墨烯基锂电池产品“烯王”在上海纳米中心正式全球发售。在此次石墨烯新产品研发项目中,深圳山木新能源科技股份有限公司(下称“山木新能源”)承担了石墨烯基锂电池的制造生产任务。


山木新能源董事长助理第五飞龙介绍,烯王这款产品是公司采用东旭光电提供的石墨烯材料,配备自身的磷酸铁锂技术,完善石墨烯材料在生产应用中的工艺和配方生产出来的,采用的是石墨烯包覆磷酸铁锂技术。


值得一提的是,在烯王产品发布会的前一天,东旭光电公告称,计划总投资16.5亿元投建石墨烯基锂电池项目,该项目分两期建设,一期将于2016年12月开工建设。


其中,一期建设年产10吨石墨烯生产线一条,年产1000吨石墨烯包覆磷酸铁锂生产线一条,年产1000吨石墨烯包覆三元材料生产线一条,年产2000吨石墨烯包覆负极材料生产线一条,年产0.2GWH的石墨烯基锂离子电芯和pack生产线一条。


高工产研锂电研究所(GGII)分析师认为,石墨烯包覆正极材料对改善导电性有优势,但具体能否包覆好,技术工艺很关键。


石墨烯包覆正极材料技术对锂电池的性能改善到底表现在哪里?该技术是否已经实现产业化?本文将对这些问题做深入阐述,以期对读者有所裨益。


能否起到颠覆性作用?


以石墨烯包覆磷酸铁锂为样本,高工锂电网从动力电池企业、石墨烯企业、材料专家、第三方研究机构等多方了解到,在包覆技术中,石墨烯实质上还只是起到导电剂的作用,并未实现性能上根本性的颠覆作用。


一位广东省知名大学教授表示,正极材料导电性差,传统一般采用碳包覆的工艺。而要评价石墨烯包覆的作用,首先要明确石墨烯层数、导电性,以及具体使用的工艺手段。以类石墨烯为例,由于石墨烯是二维层状结构,如果分散均匀,可有效提高材料导电性。


上述大学教授还介绍,石墨烯本身具有一定的电化学容量,如果结构控制得好,再加上高导电,对正极材料倍率、循环性能都有提升。但如果控制不好,便会产生更大的SEI膜,性能将变得更糟。


“目前文献中各种结构都有,实验结果大部分都是性能增加的,但是大规模生产能否达到文献报道的水平就不得而知了。”


以目前正计划大规模生产的石墨烯基锂电池产品——烯王为例,与普通的锂电池相比,该款锂电池在性能上到底产生了哪些变化呢?


山木新能源董事长陈明军透露,采用石墨烯包覆技术后,电池容量影响不大,但这款产品是在磷酸铁锂前躯体中进行石墨烯包覆,在石墨烯溶入后,其电化学特性提高了很多,具体体现在:电池内阻降低从而使快充性能提高;由于热下降延长寿命,高低温影响降低,提高了安全性。


产业化“痛点”在哪?


通过调研发现,在石墨烯包覆过程中,企业也会遇到一些难题。其中需要解决的关键问题有两个:一是石墨烯自身的导电性能,这与其层数有相当大的关系。


从导电机理分析,石墨烯通过点面接触来导电。一般而言,接触的面积越大导电性能就会越好。有业内人士认为,片层较厚的石墨烯会阻碍锂离子的扩散而降低极片的离子电导率,6-9层最为适宜。


二是如何有效均匀分散。分散的效果不好将导致材料成团,最终破坏导电性能及离子传输性。


陈明军也坦诚,石墨烯包覆过程中会有产气问题。但其透露,山木新能源已经解决该问题。


实际应用尝试者多?


其实目前电池企业使用石墨烯有两种方式:一是在做电池浆料的时候,添加石墨烯与正极材料混合,目前做此尝试的电池厂商较多;二是在生产正极材料的时候进行包覆,成熟产品还没有广泛上市。


而目前除东旭光电的“烯王”产品使用石墨烯包覆技术外,其余电池企业多采用在正极材料中加入石墨烯浆料方式。


陈明军介绍,烯王采用分子内包覆,比物理混合效果要好,而且在分子内包覆有很多优点,当然石墨烯在其中也会起到导电作用。


比亚迪技术首席刘卫平则透露,公司把石墨烯作为导电剂使用已经有2-3年了,由于石墨烯导电性比其他导电剂更好,可以适当减少添加量,从而省出空间给活性材料,使用后相比普通的磷酸铁锂电池容量会提升3-5%,成本上也会比碳纳米管的还低一些。


GGII分析师认为,采用石墨烯包覆技术后,锂电池材料性能可以改善,比如提高材料导电性,提升电池循环性能、功率性能,容量也可以提升一点(非常少,可以忽略),但最终想要提升能量密度是不能指望导电剂的,关键点还在正负极活性材料上。

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