石墨烯和锂电池之间的关系是什么

2019-01-07      3458 次浏览

我们知道,三星的爆炸事件、苹果手机的自动关机事件,就是电池与手机的兼容性问题。这其实就是由于手机的电池续航能力、以及支持能力存在的巨大安全隐患。因为“智能手机”中有大量芯片,比如音频芯片、视频芯片、电源管理芯片、ISP芯片(拍照用)、WIFI芯片、CPU、GPU、基带等等,人们对智能手机的性能的要求越来越高,尤其是续航能力,所以这些芯片的负荷也就越来越高。


所以,这场变革的临界点落脚到了材料的创新上面。而今天,华为石墨烯基锂离子电池已经诞生,这也就意味着智能手机将进入下一个高速发展时代!


石墨烯与锂电池是什么


石墨烯(Graphene)是一种由碳原子以sp2杂化方式形成的蜂窝状平面薄膜,是一种只有一个原子层厚度的准二维材料,所以又叫做单原子层石墨。它的厚度大约为0.335nm,根据制备方式的不同而存在不同的起伏,通常在垂直方向的高度大约1nm左右,水平方向宽度大约10nm到25nm,是除金刚石以外所有碳晶体(零维富勒烯,一维碳纳米管,三维体向石墨)的基本结构单元。


石墨烯和锂电池有何关系?


很早之前就有物理学家在理论上预言,准二维晶体本身热力学性质不稳定,在室温环境下会迅速分解或者蜷曲,所以其不能单独存在。直到2004年,英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫,用微机械剥离法成功从石墨中分离出石墨烯,证实它可以单独存在,对于石墨烯的研究才开始活跃起来,两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。


石墨烯目前最有潜力的应用是成为硅的替代品,制造超微型晶体管,用来生产未来的超级计算机。用石墨烯取代硅,计算机处理器的运行速度将会快数百倍。


另外,石墨烯几乎是完全透明的,只吸收2.3%的光。另一方面,它非常致密,即使是最小的气体分子(氦气)也无法穿透。这些特征使得它非常适合作为透明电子产品的原料,如透明的触摸显示屏、发光板和太阳能电池板。


作为目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料,石墨烯被称为“黑金”,是“新材料之王”,科学家甚至预言石墨烯将“彻底改变21世纪”。极有可能掀起一场席卷全球的颠覆性新技术新产业革命。


而“锂电池”,是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。1912年锂金属电池最早由GilbertN.Lewis提出并研究。20世纪70年代时,M.S.Whittingham提出并开始研究锂离子电池。由于锂金属的化学特性非常活泼,使得锂金属的加工、保存、使用,对环境要求非常高。所以,锂电池长期没有得到应用。随着科学技术的发展,现在锂电池已经成为了主流。


锂电池大致可分为两类:锂金属电池和锂离子电池。锂离子电池不含有金属态的锂,并且是可以充电的。可充电电池的第五代产品锂金属电池在1996年诞生,其安全性、比容量、自放电率和性能价格比均优于锂离子电池。由于其自身的高技术要求限制,现在只有少数几个国家的公司在生产这种锂金属电池。


石墨烯与锂电池有何关系


石墨烯和锂电池有何关系?


锂电行业对石墨烯在锂离子电池的应用已经开展了许多研究,整理如下。


石墨烯用于锂电正极材料:1.石墨烯对改善磷酸铁锂电池倍率性能的研究;2.与磷酸锰锂和磷酸钒锂复合提高循环性能的研究。


石墨烯用于锂电负极材料:1.石墨烯直接作为锂离子电池负极;2.石墨烯/SnO2复合材料作为锂离子电池负极;石墨烯/Si复合材料作为锂离子电池负极;石墨烯与Fe2O3、TiO2、Co3O4等复合作为锂离子电池负极;3.负极导电添加剂。


无论是石墨烯改性正极材料还是与硅基、锡基材料以及过渡金属化合物形成复合材料方面的研究,结论表明石墨烯的加入可改善复合材料的电化学性能,但提升幅度有限。另一方面,从商用角度来看,考虑材料成本、加工工艺、批次稳定性等因素,石墨烯大规模应用于锂电充满了挑战。


黑科技:石墨烯锂电池


石墨烯和锂电池有何关系?


与传统锂离子电池相比,石墨烯锂电池的优势无疑非常明显,它主要有耐高温、寿命长两大特点。


根据第四能源得到的信息,通过在电解液中加入高温抗分解添加剂,配合高温稳定的大单晶正极,大幅提升电池热稳定性。与此同时,通过利用石墨烯高效散热的特点,同等工况下,电池温度降低5℃。


因此,石墨烯锂电池能将使用上限温度提升10℃。在60℃的高温条件下使用,寿命为普通锂离子电池的2倍;即便在炎热气候地域如中东、非洲,该电池的使用寿命仍可长达4年以上。


石墨烯锂电池无疑是锂离子电池发展史上的重大突破。它将拓展锂离子电池的使用场景,比如烈日暴晒下需要工作的设备——无人机;还比如电动汽车,能让电动汽车在高温环境下也有极佳的续航表现。


瓦特实验室首席科学家李阳兴向第四能源记者透露,‘石墨烯锂电池技术主要解决了三个难题:第一,电解液加入特殊添加剂,避免其高温分解;第二,选大单晶三元材料做正极,增强热稳定性;第三,石墨烯的加入,实现高效散热。’

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