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石墨烯电池为什么没有取代锂电池成为电动车的电池呢?

来源:宝鄂实业    2019-03-18 12:56    点击量:
石墨烯被研究者和各大媒体誉为“新材料之王”,是人类已知强度高、韧性好、重量轻、透光率高、导电性佳的新型纳米材料。
 
 
集万千光芒于一身的石墨烯聚合电池,有着比能量高、充电速率快等优点,正好是当今电动汽车的痛点所在。比如早在2015年,华为瓦特实验室在日本第56届日本电池大会上发布的一项快充技术,这款3000mAh的石墨烯电池仅需5分钟,就可获得高达48%的电量。
 
更有甚者,早在2014年,西班牙Graphenano公司就与西班牙科尔瓦多大学,合作研究出了首例石墨烯聚合材料电池。
 
 
在电动车当中,三电系统是核心,而其中的电池则是核心中的核心,电池作为动力能量以及全车电力的来源,担当着十分重要的角色。目前,电动车主流的电池都是采用锂电池,这种电池能量密度适中,而且也较为成熟,制造成本也比较有优势。但是,锂电池也有非常致命的弱点,比如,安全性差,容易引发火灾;比如,充电速度慢,最快也要几个小时。
 
 
不仅如此,锂离子电池的内部阻抗高。因为锂离子电池的电解液为有机溶剂,其电导率比镍镉电池、镍氢电池的水溶液电解液要低得多,所以,锂离子电池的内部阻抗比镍镉、镍氢电池约大11倍。如直径为18mm、长50mm的单体电池的阻抗大约达90mΩ。
 
 
除此之外,锂电池工作电压变化较大。比如电池放电到额定容量的80%时,镍镉电池的电压变化很小(约20%),锂离子电池的电压变化较大(约40%)。对电池供电的设备来说,这是严重的缺点,但是由于锂离子电池放电电压变化较大,也很容易据此检测电池的剩余电量。
 
 
石墨烯的由来与优势。2004年,英国物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫成功从石墨中分离出石墨烯,两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。这是人类首次分离出石墨烯,它也即将成为硅的替代品,也被人们称之为“黑金”,之所以如此,是因为它是世界上目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的纳米材料,并且几乎是透明的存在,可以完美的制作成如透明的触摸显示屏、发光板和太阳能电池板。
 
 
现在,已有许多锂电行业对石墨烯在锂电池里的应用展开了研究,主要有两个方向的研究:①石墨烯用于锂电正极材料;②石墨烯用于锂电负极材料。据一些新闻报道,这些实验性研究所获得的电化学性能提升幅度有限,此外成本也很高,即石墨烯暂时无法商业化应用于锂电成本高昂是主因。
 
 
石墨烯基锂电池应用前景
 
石墨烯材料这个泡沫现在确实被吹得太大了。特别是在电池行业,量产,走进人们的生活的可能性微乎其微,主要原因如下:
 
商业化要考虑的首要问题就是成本,在锂电池中石墨烯主要起到的作用与传统碳/石墨的作用是相似的,一是导电剂,二是可能做电极嵌锂材料,但是原料价格相差成千上万倍。
 
 
 
2.工艺繁琐,后处理污染严重,石墨烯比表面积大,受化学状态影响巨大,批次稳定性,循环寿命等众多细致因素限制,生产工艺及其复杂,而且石墨烯生产需要用到大量的硫酸,后处理也很麻烦。
 
3.石墨烯是可以做导电剂促进快充放,虽然理论上可以提高倍率性能,但是如果分散工艺不到位混料不均,可能性质反倒下降,得不偿失。
 
 
 
所以,石墨烯掺杂锂离子电池目前还无法广泛的应用,且由于工艺和成本等原因应用前景堪忧,更别提全石墨烯电池了。
阳极上的金属原子最终会耗尽,此时意味着电池耗尽电量。但在可充电电池中,可以通过充电来逆转这一过程,从而迫使离子和电子回到原位,准备再次启动循环之旅。纯金属制成的电极无法承受原子不断进出的压力而不发生坍缩,因此可充电电池必须使用组合材料,使阳极和阴极通过重复的充电循环保持形状。这种结构可被比作公寓建筑,其中有用于反应性元素的“房间”。可充电电池的性能在很大程度上取决于你能以多快的速度在这些房间里进出,而不会导致建筑物倒塌。
 
1977年,年轻的英国科学家斯坦·惠廷汉姆(Stan Whittingham)在新泽西州林登(Linden)的埃克森公司(Exxon)工厂工作,他建造了一个阳极,用铝来形成“公寓街区的墙壁和地板”,用锂作为活性材料。当他给电池充电时,锂离子从阴极移动到阳极,在铝原子之间的空隙中沉淀。当放电时,他们向另一个方向移动,通过电解质回到阴极一侧的空间。
 
惠廷汉姆发明了世界上第一个可充电的锂电池,这种硬币大小的电池足以为太阳能手表提供动力。但当他试图增加电压(使更多离子进出)或试图制造更大的电池时,它们就会继续燃烧。1980年,在牛津大学工作的美国物理学家约翰·古德诺夫(John Goodenough)取得了突破。古德诺夫是一名基督徒,曾在第二次世界大战中担任美国陆军气象学家,他也是金属氧化物方面的专家。他怀疑,与惠廷汉姆使用的铝化合物相比,肯定有某种物质能为锂提供更坚固的牢笼。
 
古德诺夫指导两名博士后研究人员系统性地在周期表中摸索,用不同的金属氧化物对锂进行比对,看看在它们崩溃前能从其中抽出多少锂。最终,他们确定了锂和钴的混合物,后者是遍布非洲中部的蓝灰色金属。锂钴氧化物可以承受半数锂被拉出的极限。当它被用作阴极时,这代表了电池技术向前迈出了一大步。钴是一种更轻便、廉价的材料,既适用于小型设备也适用于大型设备,而且大大优于市场上的其他材料。
 
如今,古德诺夫的阴极几乎出现在地球上的所有掌上设备中,但他并没有从中赚到一分钱。牛津大学拒绝申请专利,他本人也放弃了这项权利。但它改变了可能发生的事情。1991年,经过10年的修修补补,索尼将古德诺夫的锂钴氧化物阴极与碳阳极结合在一起,试图改善其新型CCD-TR1摄像机的电池续航时间。这是第一款用于消费产品的可充电锂离子电池,它改变了整个世界。
 
吉恩·伯迪切夫斯基(Gene Berdichevsky)曾是特斯拉的第七名员工。当这家电动汽车公司于2003年成立时,电池能量密度稳步提高已经持续了十年,每年的提高幅度约为7%。但到了2005年前后,伯迪切夫斯基发现锂离子电池的性能开始趋于平稳。在过去的七八年里,科学家们不得不竭尽全力去争取哪怕是0.5%的电池性能提高。
 
当时的进步主要来自工程和制造业的改进。伯迪切夫斯基说:“在现代化学反应被使用27年后,它们不断接受提炼。”材料更加纯净,电池制造商已经能够通过使每层都变得更薄的方式将更活跃的材料装入相同的空间中。伯迪切夫斯基称之为“从罐子里吸出空气”。但这也有其自身风险。现代电池由极薄的阴极、电解质和阳极材料的交替层组成,与铜和铝电荷收集器紧密地结合起来,将电子带出电池,送到需要的地方。
 
在许多高端电池中,塑料隔膜位于阴极和阳极之间,用来防止它们接触和短路,其厚度仅为6微米(约为人类头发厚度的1/10),这使它们很容易受到挤压损伤。这就是航空公司的安全视频现在为何警告称,如果你的手机掉进了机械装置里,不要试图调整座位。
 
对锂离子电池的每一次改进,都需要权衡取舍。提高能量密度会降低安全性,引入快速充电可能降低电池的循环寿命,这意味着电池的性能下降得更快。锂离子的潜力正在接近其理论极限。自从古德诺夫的突破以来,研究人员一直在试图寻找下一个飞跃,包括通过系统性地审视电池的四个主要组成部分——阴极、阳极、电解质和分离器,并使用越来越复杂的工具。
 
克莱尔·格雷(Clare Grey)是古德诺夫在牛津大学的学生,他始终在研究锂-空气电池,即用空气中的氧气充当另一个电极。从理论上讲,这些电池提供了巨大的能量密度,但要让它们可靠地充电,并且持续时间超过几十个周期,在实验室里已经够困难的了,更不用说在现实世界肮脏而不可预知的空气中了。
 
尽管格雷声称最近取得了突破,但由于上述问题,研究团体的注意力主要转向了锂-硫电池。它为锂离子提供了更便宜、更强大的替代品,但科学家们始终在努力阻止其在阴极上形成的树突(cathode),以及在阳极上的硫磺因重复充电而溶解。索尼声称已经解决了这一问题,并希望到2020年将含有锂-硫电池的消费类电子产品推向市场。
 
在曼彻斯特大学,材料学家刘旭清(Xuqing Liu)是那些试图从碳阳极中挤出更多能量的人之一,他将类似于石墨烯的二维材料结合起来,以便扩大表面积,从而增加锂原子的数量。刘旭清把它比作增加一本书的页数。这所大学还投资建造干燥的实验室,这将使其研究人员能够安全、轻松地交换不同的元件,以测试不同的电极和电解质的组合。
 
令人难以置信的是,即使古德诺夫本人也在研究这个问题。去年,94岁的他发表了一篇论文,描述了一种容量是现有锂离子电池三倍的电池。这受到广泛质疑。一位研究人员说:“如果是古德诺夫之外的其他人发表了这篇文章,我可能就要骂娘。”
 
但是,尽管有成千上万的论文发表,数十亿美元的资金投入,数十家创业公司成立并提供资金支持,自1991年以来,我们大部分消费电子产品的基本化学功能几乎没有改变。在成本、性能和消费性电子产品的便携性方面,还没有什么能够取代锂钴氧化物和碳的组合。iPhoneX的电池的原理几乎和索尼的第一台便携式摄像机一样。
 
因此,2008年,伯迪切夫斯基从特斯拉离开,开始专注于研究新的电池化学反应。他对寻找石墨阳极的替代品尤其感兴趣,他认为这是制造更好电池的最大障碍。伯迪切夫斯基说:“石墨的使用已经有六七年了,它现在基本上是用在电池的热力学容量上。”2011年,他与特斯拉的前同事亚历克斯·雅各布斯(Alex Jacobs)、佐治亚理工学院材料学教授格莱布·尤辛(Gleb Yushin)共同创立了Sila Nanotechnologies。他们在阿拉米达的湾区办公室有开放式布局,以雅达利游戏命名的会议室,还有充满熔炉和燃气管道的工业实验室。

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