石墨烯电池的研发现状及动向

发布日期:2019-12-05  来源:第一锂电网  作者:周远

核心提示:石墨烯电池的研发现状及动向


1.石墨烯特性


石墨烯是2004年由曼彻斯特大学科斯提亚•诺沃谢夫和安德烈•盖姆发现的,他们使用的是一种被称为机械微应力技术的简单方法。正是这种简单的方法制备出来的简单物质石墨烯,推翻了科学界的一个错误认识:任何二维晶体不能在有限的温度下稳定存在。石墨烯这种二维晶体不仅可以在室温存在,而且十分稳定的存在于通常的环境下。微信图片_20191205173345


石墨烯与所有其他已知材料不同的是,石墨烯高度稳定,即使被切成1纳米宽的元件,其导电性也很好。此外,石墨烯单电子晶体管可在室温下工作。而作为热导体,石墨烯比目前任何其他材料的导热效果都好。更令人称奇的是,石墨烯的柔韧性特别好,厚度只有一层碳原子的石墨烯被称为“奇迹材料”。



石墨烯是目前已知的硬度最高、最薄的材料,仅有一个碳原子厚。石墨烯几乎是完全透明的,只吸收2.3%的光,只有0.34纳米厚,十万层石墨烯叠加起来的厚度大概等于一根头发丝的直径,人们用肉眼是看不见的。


石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的单层二维碳纳米材料,这种稳定二维蜂巢状晶格结构赋予了石墨烯力学、光学、电学和微观量子性质等极为优异的性能,被称为“材料之王”。


石墨烯是从石墨材料中剥离出来,由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。石墨烯具有完美的二维晶体结构,它的晶格是由六个碳原子围成的六边形,碳原子之间由s键连接,结合方式为sp2杂化,这些s键赋予了石墨烯极其优异的力学性质和结构刚性。


石墨烯具有独特的电子能带结构,以独立碳原子为基,将周围碳原子产生的势作为微扰,可以用矩阵的方法计算出石墨烯的能级分布,石墨烯中电子的有效质量为零,表现出了石墨烯独特的电学性质。


石墨烯是人类已知强度最高的物质,它比钻石还坚硬,强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍,在每100纳米距离上可承受的最大压力竟然达到了2.9微牛左右。


石墨烯是世上电阻率最小的材料,在石墨烯中,电子能够极为高效地迁移,迁移速率仅为光速的三百分之一,远远高出其在硅、铜等传统半导体和导体中的速率。石墨烯电阻率极低,电子能在其中极为高效地移动,这使得石墨烯具有非常好的导电性。


2.石墨烯分类


完美的石墨烯是二维的,它只包括六角元胞(等角六边形),如果有五角元胞和七角元胞存在,那么他们构成石墨烯的缺陷。如果少量的五角元胞细胞会使石墨烯翘曲,12个五角元胞的会形成富勒烯。石墨烯是单层石墨烯、双层石墨烯、少层石墨烯和多层石墨烯的统称。


1)单层石墨烯(Graphene)是指由一层以苯环结构(即六角形蜂巢结构)周期性紧密堆积的碳原子构成的一种二维碳材料。


2)双层石墨烯(Bilayer or double-layer graphene)是指由两层以苯环结构(即六角形蜂巢结构)周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式(包括AB堆垛,AA堆垛,AA‘堆垛等)构成的一种二维碳材料。


3)少层石墨烯(Few-layer)是指由3~10层以苯环结构(即六角形蜂巢结构)周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式(包括ABC堆垛,ABA堆垛等)构成的一种二维碳材料。


4)多层或厚层石墨烯(multi-layer graphene)是指厚度在10层以上10nm以下苯环结构(即六角形蜂巢结构)周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式(包括ABC堆垛,ABA堆垛等)构成的一种二维碳材料。


常见的天然石墨是由一层层蜂窝状有序排列的平面碳原子堆叠形成的,石墨的层间作用力较弱,很容易互相剥离,形成较薄的石墨片。当把石墨片剥成单层之后,形成的一个碳原子厚度的单层就是石墨烯,是碳的二维结构。


 


石墨烯是碳的各种形态中的基本结构,可以从石墨烯成功制备出如富勒烯、碳纳米管,弹道晶体管等其他碳素新材料,石墨烯也因此被称为“碳材料之母”。只要添加一点石墨烯进入其它材料,就有可能产生意想不到的效果,作为材料界引起革命性改变的“超级材料”,石墨烯几乎无所不能。


3.石墨烯锂电池


当前主流新能源汽车电池技术,已从原来的铅酸电池升级为锂电池技术,但是锂电池依然存在难以突破的技术瓶颈,电池续航里程短、充电时间慢、以及能量密度偏低,将石墨烯其运用到锂电池中,使电池具有充电快、储能密度大、续航长、寿命更长等特点。目前,行业内专家对石墨烯电池技术寄予很高的期望,成为了车企及研究机构研发的重点。


石墨烯锂电池是利用锂离子在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性开发出的一种新型电池,世界上的首款石墨烯聚合材料电池由西班牙graphenano公司和科尔瓦多大学合作研发,其储电量是市场最好产品的三倍,用此电池提供电力的电动汽车最多能行驶1000公里,而其充电时间不到8分钟。


虽然此电池具有各种优良的性能,但其成本并不高。Graphenano公司相关负责人称,此电池的成本将比锂电池低77%,完全在消费者承受范围之内。此后全世界的电池企业对于石墨烯都寄予了极高的期待值,此外,在汽车燃料电池等领域,石墨烯还有望带来革命性进步。


基于石墨烯技术的电池被称为“里程碑式的黑科技”,号称能够延长电动车续航里程、电池寿命,同时缩短充电时间。但石墨烯电池要想在短期内彻底取代锂电池恐怕还有很长的路要走。将电极材料中添加了石墨烯材料就定义为石墨烯电池是存在误导的,目前,石墨烯电池仍有多方面技术难以突破,因此还是一种处于实验室的产物,距离其真正量产仍然遥遥无期。



基于石墨烯技术的电池实验阶段的成功,无疑将成为电池产业的一个新的发展点。电池技术是电动汽车大力推广和发展的最大门槛,而电池产业正处于铅酸电池和传统锂电池发展均遇瓶颈的阶段,石墨烯储能设备研制成功后,若能批量生产,则将为电池产业乃至电动汽车产业带来新的变革。由于石墨烯拥有超乎想像的导电能力,石墨烯电池概念成为突破电池技术瓶颈的救命稻草,尤其国内电动汽车行业但凡有技术突破都与石墨烯电池挂钩。


从微观的角度看蓄电池的充放电过程,实际上是一个阳离子在电极中“镶嵌”和“脱离”的过程。所以,如果电极材料中的孔洞越多,则这个过程进行的越迅速,在宏观的角度看则表现为蓄电池充放电的速度越快。石墨烯的微观构造是一个由碳原子所组成的网状结构,因为具有极限的薄度(只有一层原子的厚度),所以阳离子的移动所受限制很小。同时正因为具有网状结构,由石墨烯所制成的电极材料也拥有充分的孔洞。


 


关键词: 石墨烯
 
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