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石墨如何在锂离子电池中发挥作用?

锂离子电池的关键原材料石墨在2015年媒体预测石墨需求量大,所以要满足电动汽车用锂离子电池的增长需求。由于大型电动车电池需要大约25千克(55磅)的石墨用于锂离子阳极,因此推测石墨可能供不应求。虽然价格和消费一直低迷,但有迹象表明需求正在缩小。

石墨来自希腊语“graphein”。它具有耐热性,导电性和导热性,化学钝化(耐腐蚀),比铝轻。除锂离子阳极外,高级石墨还用于燃料电池,太阳能电池,半导体,LED和核反应堆。生产纯度为99.99%的阳极级石墨是昂贵的,并且该过程产生浪费。最终成本不是材料,而是纯化过程。回收旧的锂离子以回收石墨不会解决这个问题,因为这是一个繁琐的净化过程。

碳和石墨是相关物质。石墨是碳的同素异形体,是通过以不同方式将元素结合在一起而发生的结构修饰。石墨是最稳定的碳形式。钻石是一种亚稳态碳同素异形体,以其优异的物理性质而闻名,不如石墨稳定,石墨是柔软和可塑的。碳纤维的直径约5-10微米,是人类头发厚度的十分之一。碳原子在微观晶体中结合在一起并且非常坚固。它们以纺织品方式编织并与聚合物基质混合,聚合物基质是一种硬化形式的碳纤维,与钢一样坚固但更轻。这些材料用于高尔夫球杆和自行车车架,以及汽车和飞机的车身部件以取代铝。波音787和空中客车350X广泛使用碳纤维。目前,电池用石墨仅占全球需求的5%。

石墨有两种形式:来自矿山的天然石墨和来自石油焦的合成石墨。两种类型都用于锂离子阳极材料,55%倾向于合成和天然石墨的平衡。制造商首选合成石墨,因为它具有优于天然石墨的稠度和纯度。这种情况正在发生变化,通过现代化学纯化工艺和热处理,天然石墨的纯度达到99.9%,而合成当量的纯度达到99.0%。纯化的天然鳞片石墨具有更高的晶体结构,并且比合成材料具有更好的导电性和导热性。改用天然石墨可降低生产成本,同时具有相同或更好的锂离子性能。锂离子合成石墨每吨售价约10,000美元,而天然鳞片制成的球形石墨售价7,000美元(2015年价格)。未加工的天然石墨便宜得多,除了成本之外,天然石墨比合成石墨更环保; 它也是石墨烯的基础,是科学家的梦想。截至2016年底,天然石墨占市场份额的60-65%; 合成成分约为30%,而钛酸锂,硅和锡等替代品约为5%。

石墨烯

石墨烯是二维六方晶格形式的碳的同素异形体。石墨烯呈现在一片纯碳中,只有一个原子厚。它灵活,透明,不透水分,比钻石更坚固,比金更具导电性。专家暗示石墨烯是一种奇迹材料,可以改善许多产品,包括电池。据说石墨烯阳极比石墨阳极更好地保持能量,并且保证充电时间比目前锂离子电池的速度快十倍。

对于传统的石墨阳极,锂离子积聚在阳极的外表面周围。通过使锂离子穿过尺寸为10-20nm的石墨烯薄片的微孔,石墨烯具有更优雅的解决方案。这保证了最佳的存储区域和易于提取。一旦可用,估计这种电池比具有常规石墨阳极的锂离子电池存储的电能多十倍。通过向阴极添加氧化钒实现石墨烯的进一步改进。据说具有这种增强功能的实验电池在20秒内再充电,并在1000次循环后保持90%的容量。石墨烯也在超级电容器中进行测试,以提高比能量密度,以及太阳能电池。下图显示了使用扫描探针显微镜(SPM)可见的石墨烯的独特晶格。

石墨烯结构

扫描探针显微镜(SPM)显示石墨烯的图像

几十年来,科学家们对石墨烯的奇迹进行了理论研究,但没有商业产品专门使用这种明显的奇迹材料。石墨烯的奇迹很可能在铅笔和其他产品中不知不觉地被使用了几个世纪,所以要更好地了解其机制,最终将导致产品的改进。

 

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