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石墨烯電池為什么不實用?

鉅大LARGE  |  點擊量:7969次  |  2018年09月07日  

摘要
石墨烯應用在鋰離子電池、超級電容器、鋰硫電池、燃料電池到太陽能電池,屢見技術突破也已經是不爭的事實,那為何迄今在市面上還看不到實用的商品?

石墨烯應用在鋰離子電池、超級電容器、鋰硫電池、燃料電池到太陽能電池,屢見技術突破也已經是不爭的事實,那為何迄今在市面上還看不到實用的商品?

按理講,石墨烯目前是世上最薄卻也是最堅硬的納米材料,常溫下其電子遷移率超過15000cm2/Vs,又比納米碳管或硅晶體高,而電阻率只有10E-8Ωm,比銅或銀更低,為世上電阻率最小的材料,應用其優異特性應該是有所作為吧?

談談華為石墨烯電池為什么無法顛覆電池技術

很抱歉,事情并沒有那幺順利。在回答石墨烯怎幺突破現狀讓能源商品及早上市前,我這次換個方式先來澄清某些對石墨烯應用于能源的誤解。

第一,石墨烯電池充電10分鐘跑1,000公里做得到嗎?目前做不到。

第二,石墨烯在鋰離子電池最可能發揮作用的領域只有兩個:直接用于負極材料和用于導電添加劑

第三,石墨烯在超級電容中最有可能發揮作用的特性有哪些?

1.表面積大,有利于產生高能量密度;

2.超高導電性,有利于保持高功率密度;

3.化學結構豐富有利于引入贗電容,提高能量密度;

4.特殊的電子結構可優化結構與性能關系。

第四,理論計算表明,如果采用單層石墨烯,其H2吸附量可達7.7wt%,完全能滿足美國能源部(MOE)對汽車所需氫能的要求(6wt%)。

第五,中車的石墨烯超級電容,并沒有超出目前技術水平太多。一般的18650電池容量能做到3100mAh左右,這樣算下來能量密度大約在700Wh/L,超級電容沒有做到200kw/kg就沒有機會取代鋰電池。

第六,根本就沒有所謂的“石墨烯電池”嗎?所謂石墨烯電池并非整個電池都用石墨烯材料制作,而是在電池的電極使用石墨烯材料,所以稱為“石墨烯電池”并不恰當。

在沒進入主題針對石墨烯應用于各類能源產品前,我們先回顧中國在石墨烯鋰電池的“舊聞”~2015年上市的一款名為開拓者α的手機,就采用由中國科學院重慶綠色智慧技術研究院和中國科學院寧波材料技術與工程研究所開發的石墨烯觸摸屏、電池和導熱膜等新材料,手機觸控屏幕不偏色不泛黃,色彩真實、純凈,通透性也比傳統屏幕好,手機充電速率提高了40%,電池壽命延長了50%,電池的能量密度也增加10%。

從這可以看出,采用石墨烯材料的電極雖然大幅提升了電池壽命和電池充電速度,但因石墨烯材料本身具有的高比表面積等性質,與現在的鋰離子電池工業的技術體系無法兼容,能量密度并沒有實現理論上的翻倍,僅僅提升了10%。

的確,目前聲稱石墨烯電池╱電容可以容量提高30%以上的信息可信度都極低,因為一無反應機理,二無具體數據,叁無產品實測分析結果。但我們只看到能量密度無法翻倍的現象,就斷言是比表面積等性質與現有技術體系「無法兼容」也未免太過武斷。真正追究起來還是回到我前面一篇文章提到的,氧化還塬法的石墨烯材料只有二叁種,但我們已經有超過200種以上組合包括:孔隙型粉末及薄片型粉末,會用甚幺方式來改進鋰電池呢?切記,鋰離子電池是「系統」解決方案,不能從單一部件拆開來思考。

我還是看好超級電容能取代鋰離子電池,但誰知道呢?我們正朝把超級電容的能量密度提高到接近鋰離子電池而努力,但鋰離子電池產業也不是一朝一夕就建成的,兩者性能的提升都有其正面意義的。

最近半年有專家提到幾個原因使石墨烯應用在鋰離子電池應用變得困難,包括:

a、成本問題。傳統導電炭黑和石墨都是論噸賣的(一噸幾萬元),論克賣的石墨烯哪天能降到這個價?此時使用的材料就是石墨微片(可能有幾十層),根本不是單層或數層的石墨烯。

b、工藝特性不兼容。就是石墨烯比表面積過大,會對現有鋰離子電池的分散均漿等工序帶來一大堆工藝問題。

c、如果石墨烯做負極理論上最多是石墨負極兩倍的容量(720mAh/g),為什么不用硅?

d、石墨烯是可以做導電劑促進快充放,理論上可以提高倍率性能,且石墨烯如果把它展開與電極活性物質復合,會堵塞鋰離子擴散的通道。

石墨烯不會單獨存在,必須以復合材料的型態出現,即使是正極、負極及隔膜也是這樣。

我常說“坐而言、不如起而行”,以下是我對石墨烯應用在能源的看法:

第一,石墨烯作為重要的新材料,在智能手機、新型顯示、鋰離子電池、太陽能光伏等電子信息行業多個重要領域應用前景廣闊,當前石墨烯材料仍處于產業化應用初期,在上述領域大規模應用仍需開展大量工作。

第二,石墨烯材料在新一代信息技術產業的大規模應用,應與下游需求緊密結合,注重材料研發、產品設計、制備工藝等環節的統籌謀劃,構建產業生態新模式,打造需求牽引、同步研發、緊密耦合的產業發展模式,推動石墨烯材料在新一代能源技術領域中盡早應用。

小編總結:石墨烯只用于散熱而已,實際上它的應用本身沒有突破,如果不是華為搞出來的,大家可能都不會理睬。大家應該十年之后再來談這件事,否則就會像當年的富勒烯一樣。

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