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石墨烯+锂电池可行性有多大?

Release date:2018-08-06  source:粉体网  Browse times:144

众所周知石墨烯具有高导电性、高导热性、高比表面积、高强度和刚度等诸多优良特性,在储能、光电器件、化学催化等诸多领域获得了广泛的应用。

离子电池是迄今为止能量比最高的二次电池,但是应用于如新能源汽车时需要进一步提高其能量比。石墨烯的出现为锂离子电池高性能的突破带来了可能,从而为高容量、高倍率、长寿命的锂离子电池材料的研究掀起新一轮的研究热潮。

目前石墨烯在锂电池方面的研究主要分两块

一是在传统锂电池上进行应用,目的是改进、提升锂电池的性能,这类电池不会产生颠覆性的影响;

二是依据石墨烯制造一个新体系的电池,它是一个崭新系列的,在性能上是颠覆性的,称作“超级电池”。

石墨烯在正极材料中的应用

锂电池的正极材料例如常用LiCoO2、LiMn2O4和LiFePO4都是不良的电子导体,它们的电导率分别为10-4、10-6和10-9Scm-1。在目前现有的锂离子电池体系中,电池使用的正负极材料本身具有较低的离子与电子电导率,这是影响和限制锂电池充放电循环和倍率性能的主要因素。所以为了充放电过程中充分有效利用正极材料同时能提高电池的倍率性能,要在正极材料中加入导电剂,传统的导电剂一般是石墨。而石墨烯本身具有非常高的电子传导率,用石墨烯作为导电添加剂是其在锂电池中最直接,也是最广泛的应用。

石墨烯作为导电剂的问题

对于石墨烯导电剂的实际应用,需要综合考虑石墨烯对电子电导的“面-点”促进作用和对离子传导的“位阻效应”;针对导电剂用量和最终电池的能量/功率密度综合考虑设计电极的厚度。对于LFP体系的锂离子电池,由于石墨烯对锂离子传输的影响非常强,所以需要特别注意电极的厚度。

石墨烯在负极材料中的应用

目前锂电池常用的负极材料是石墨,用石墨烯作负极材料的优势有:

石墨烯导电性能好,耐腐蚀,用作负极材料可以增强活性物质与集流体的导电性;

石墨烯片层作为单层二维结构,原则上不存在体积膨胀,所以结构稳定,充放电快,循环性能好;

纳米颗粒原位法合成于石墨烯表面形成基复合材料,通过控制其生长颗粒的尺寸,从而缩短锂离子和电子扩散距离,改善材料的倍率性能;

纳米颗粒均匀覆盖在石墨烯表面,一定程度能够防止石墨烯片层的聚合和电解质浸入石墨烯片层,导致电极材料失效。

石墨烯直接用作负极材料存在的问题

石墨烯由于尺寸小并且具有很高的比表面积,容易与电解液发生反应生成大量的SEI膜,造成大量不可逆容量的损失。

石墨烯在电极循环中容易发生团聚,并且由于范德华力导致团聚不可逆,导致嵌锂困难,电池容量衰减。

石墨烯在制备过程中容易发生再堆叠,对分散和干燥条件要求苛刻,导致成本增加。

石墨烯材料在电池负极材料的应用中表现为首次效率低,循环性能差等问题还未能解决。

当前石墨烯复合材料在锂电池的应用成为研究热门,如何完善高质量石墨烯的制备技术,寻找出一种可控、大规模的石墨烯制备方法,并制备出性能优异的石墨烯基复合材料,是当前研究的重点。若石墨烯基电极材料在高能量密度、高功率密度要求的动力锂离子电池领域获得应用,必将大大提升动力电池的综合性能,推动电动车、电动工具等领域的发展。

 
 
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