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石墨烯:動力鋰電池的新伴侶


來源:經(jīng)濟日報

標(biāo)簽石墨烯
因諾貝爾獎而進入大眾視野的石墨烯,是一種新型碳納米材料,由單層碳原子緊密堆積成二維蜂窩狀結(jié)構(gòu)。石墨烯具有優(yōu)異的電學(xué)、熱學(xué)、結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能,以及完美的量子隧道效應(yīng)、從不消失的電導(dǎo)率等一系列特殊性質(zhì)。因為這些性能,它在下一代晶體管、透明導(dǎo)電膜、儲能技術(shù)、化學(xué)傳感、功能復(fù)合材料等與人類生產(chǎn)生活息息相關(guān)的領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊,被認(rèn)為是一種有可能改變世界的新材料。人們對石墨烯基超級計算機的前景尤其樂觀,但從技術(shù)上來講,這種超級計算機在未來20年內(nèi)難以成為現(xiàn)實。不過,中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所的最新研究成果表明,石墨烯的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用有望在動力鋰離子電池領(lǐng)域率先實現(xiàn)。

  該所動力鋰電池技術(shù)研究團隊負(fù)責(zé)人劉兆平研究員介紹說,磷酸鐵鋰正極材料是未來電動汽車動力電池的關(guān)鍵材料,但其生產(chǎn)技術(shù)一直為美國與加拿大的專利所壟斷,現(xiàn)在中國還在為此與他們進行法律交涉。“第一輪官司中國贏了。如果他們贏了,每生產(chǎn)一噸磷酸鐵鋰要收1萬元人民幣的專利費,這對我們的電動汽車產(chǎn)業(yè)將是一個重大打擊。”

  劉兆平說:“我們從2008年起開始石墨烯的研究,通過石墨烯與磷酸鐵鋰的融合,提升了動力鋰電池的性能,這才繞過他們的專利壁壘!

  劉兆平認(rèn)為,石墨烯在動力鋰電池領(lǐng)域有如下兩個重要的應(yīng)用方向,并很有可能在短期內(nèi)取得重大突破。

  一個方向是石墨烯復(fù)合電極材料。石墨烯憑借其優(yōu)異的導(dǎo)電性能可以提升電極材料的電導(dǎo)率,進而改善其充放電性能;同時,石墨烯“柔韌”的二維層狀結(jié)構(gòu)又可有效抑制電極材料在充放電過程中因體積變化引起的材料粉化,并增強與集流體間的導(dǎo)電接觸。因此,石墨烯改性能夠改進眾多鋰電池正負(fù)極材料的電化學(xué)性能,磷酸鐵鋰/石墨烯復(fù)合正極材料就是一個很好的例子。

  另一個頗具應(yīng)用前景的發(fā)展方向則是用石墨烯作為動力鋰電池的導(dǎo)電添加劑。初步研究結(jié)果表明,加入石墨烯導(dǎo)電添加劑后,鋰電池的大電流充放電性能、循環(huán)穩(wěn)定性和安全性都因此得到了極大改善,其效果甚至超出了目前高性能動力鋰電池用的碳納米管導(dǎo)電添加劑。

  但是,石墨烯要想在上述方向獲得真正的應(yīng)用,亟須攻克其低成本規(guī)模化制備的難關(guān),F(xiàn)有的機械剝離、化學(xué)氣相沉積、外延生長以及溶液相氧化還原等諸多制備方法雖然各具特色,但均難以實現(xiàn)高質(zhì)量低成本的石墨烯規(guī)模化制備。

  不過,這個難題已經(jīng)被中科院寧波材料所的動力鋰電池技術(shù)研究團隊所攻克!坝捎诖饲笆┑囊(guī)模化制備技術(shù)未突破,市場沒有批量石墨烯的供應(yīng),所以我們團隊從一開始就布局了石墨烯的制備研究!眲⒄灼礁吲d地說:“目前我們已經(jīng)突破了石墨烯低成本規(guī);苽浼夹g(shù)的瓶頸,并剛剛建成一條年產(chǎn)30噸的石墨烯中試生產(chǎn)示范線!

  團隊成員周旭峰博士進一步介紹說,團隊摒棄了傳統(tǒng)的氧化—剝離—還原制備路線,經(jīng)過近一年的集中攻關(guān),創(chuàng)新地發(fā)展出高效的插層—膨脹—剝離方法,在石墨烯低成本規(guī);苽浼夹g(shù)上取得了突破性進展,成功獲得了厚度2至5納米,尺寸在5至10微米,電導(dǎo)率超過500S/cm的石墨烯。相比于傳統(tǒng)的氧化—剝離—還原方法,該方法不僅避免了對石墨烯結(jié)構(gòu)的破壞,維持了高導(dǎo)電性,而且制備工藝大大簡化,成本低廉,易于放大生產(chǎn)。在目前的中試工藝條件下,石墨烯制備成本可控制在每公斤3000元內(nèi),預(yù)期提升制備規(guī)模后,可進一步降低生產(chǎn)成本,滿足其在鋰離子電池等領(lǐng)域的應(yīng)用需求。

  石墨烯低成本規(guī);苽浼夹g(shù)的突破為其在動力鋰電池中的應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ),并有望使鋰電池驅(qū)動的電動車跑得更快、更遠(yuǎn)、更安全。劉兆平說:“我們已經(jīng)開始技術(shù)轉(zhuǎn)移,石墨烯的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用有望在鋰離子電池領(lǐng)域率先實現(xiàn)。當(dāng)然,動力鋰電池的性能還有很大提升空間,我們還將進行更深入的研究!
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