鋰電池負(fù)極材料石墨烯的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景

來(lái)源：存能電氣  日期：2019-06-18 15:20  瀏覽量：次

　　鋰電池負(fù)極材料石墨烯的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景。石墨烯是近年來(lái)研究較多的一種新型材料，具有良好的導(dǎo)電性能和倍率性能，在鋰電池正極材料和負(fù)極材料領(lǐng)域極具應(yīng)用潛力。那鋰電池負(fù)極材料石墨烯的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景有如何呢？

　　石墨烯在鋰電池負(fù)極材料中的應(yīng)用

　　石墨烯作為鋰電池負(fù)極材料，當(dāng)采用50mA/g的電流密度充放電時(shí)，該石墨烯電極材料的比容量為540mAh/g；再經(jīng)20次循環(huán)后，容量發(fā)生一定程度的衰減。石墨烯具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)特性，在材料學(xué)、微納加工、能源、生物醫(yī)學(xué)和藥物傳遞等方面具有重要的應(yīng)用前景，無(wú)論是輕薄、硬度、導(dǎo)熱、導(dǎo)電，都是所有材料之最，被認(rèn)為是一種未來(lái)革命性的材料。

　　研究發(fā)現(xiàn)，這可能與材料中石墨烯片層的排列方式未得到優(yōu)化有關(guān)。以石墨烯紙作為鋰離子電池負(fù)極材料時(shí)，循環(huán)性能就不太理想，首次循環(huán)之后，比容量就下降到100mAh/g以下(充放電電流密度50mA/g)。文獻(xiàn)等采用熱膨脹氧化石墨法制備的石墨烯，將其應(yīng)用于鋰離子電池負(fù)極材料中。當(dāng)采用1mA/g的電流密度充放電時(shí)，其比容量可達(dá)554mAh/g。

　　更為驚喜的是，發(fā)現(xiàn)如果在其中摻入C60和碳納米管后，其比容量可高達(dá)784mAh/g。研究證明，石墨烯材料雖具有非常高的鋰離子擴(kuò)散速率，作為鋰電池負(fù)極材料時(shí)，首次可逆比容量較高，但經(jīng)過(guò)幾次循環(huán)后，容量衰減嚴(yán)重，并且充放電曲線滯后嚴(yán)重，因此很難單獨(dú)作為電極材料使用。而石墨烯獨(dú)特的柔性結(jié)構(gòu)若與高容量金屬或氧化物粒子復(fù)合用作負(fù)極材料則具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。

　　鋰電池負(fù)極材料石墨烯的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景

　　近年來(lái)由于新能源汽車的快速發(fā)展，對(duì)動(dòng)力鋰電池需求飛速提升，全球動(dòng)力電池在鋰電池產(chǎn)量中的占比由2014年的14%快速提升到2015年的28%；而中國(guó)動(dòng)力電池在鋰電池產(chǎn)量中的占比也由2014年的19%快速提升到2015年的36%。

　　鋰離子電池產(chǎn)業(yè)可以分為上游的礦產(chǎn)資源、中游的原材料、產(chǎn)品制造與組裝、下游的應(yīng)用三大范疇。在產(chǎn)業(yè)鏈的環(huán)節(jié)中，鋰電池隔膜制造環(huán)節(jié)的毛利率是最高的。負(fù)極材料技術(shù)是最成熟的，其中石墨系負(fù)極材料仍是主流。

　　仍技術(shù)角度來(lái)看，未來(lái)鋰離子電池負(fù)極材料將會(huì)呈現(xiàn)出多樣性的特點(diǎn)。隨著技術(shù)的迚步，目前的鋰離子電池負(fù)極材料已經(jīng)仍單一的人造石墨發(fā)展到了天然石墨、中間相碳微球、人造石墨為主，軟碳/硬碳、無(wú)定形碳、鈦酸鋰、硅碳合金等多種負(fù)極材料共存的局面。

　　天然石墨負(fù)極材料技術(shù)有了較大的迚步，其可逆容量已達(dá)360mAh/g以上，在消費(fèi)型鋰離子電池中獲得了廣泛的應(yīng)用。預(yù)計(jì)在未來(lái)的小型電池中，高容量電池仍將以天然石墨為主。人造石墨負(fù)極材料當(dāng)前的應(yīng)用非常廣泛，其優(yōu)點(diǎn)是長(zhǎng)寽命，較低的極片反彈，而缺點(diǎn)是容量相對(duì)較低。目前在人造石墨的技術(shù)改迚使得人造石墨也可以發(fā)揮350mAh/g的可逆容量。將人造石墨與天然石墨復(fù)合作為鋰離子電池負(fù)極材料也已被許多電池廠家所認(rèn)可。軟/硬碳、無(wú)定形碳、鈦酸鋰、金屬合金、硅碳合金等新型負(fù)極材料目前已經(jīng)處于試用階段，可能在未來(lái)幾年里會(huì)逐步產(chǎn)業(yè)化。新型的負(fù)極材料雖然有其特殊的優(yōu)勢(shì)，但技術(shù)仍然不成熟。

　　現(xiàn)階段，石墨材料是負(fù)極材料的主流，未來(lái)石墨烯、鈦酸鋰、硅碳復(fù)合材料未來(lái)其良好發(fā)展前景。從2015年全球鋰電池負(fù)極材料消費(fèi)結(jié)極來(lái)看，天然石墨、人造石墨、中間相炭碳微球及鈦酸鋰、軟碳與硬碳、非碳材料占比分別為55.0%、35.0%、7.4%、1.7%、0.8%，中國(guó)鋰電池負(fù)極材料消費(fèi)結(jié)極來(lái)看，天然石墨、人造石墨、中間相碳微球和鈦酸鋰占比分別為36%、53%、11%。

　　我國(guó)3C消費(fèi)品領(lǐng)域中，手機(jī)與微型計(jì)算機(jī)占據(jù)了絕大部分市場(chǎng)，因此在此我們主要討論近年來(lái)手機(jī)與微型計(jì)算機(jī)的市場(chǎng)情冴。在經(jīng)歷了2009~2010年智能手機(jī)的爆發(fā)式增長(zhǎng)后，國(guó)內(nèi)手機(jī)產(chǎn)量基本保持在10%以上的年均增速平穩(wěn)增長(zhǎng)；且由于2009年智能手機(jī)帶動(dòng)平板電腦等便攜設(shè)備的發(fā)展，微型計(jì)算機(jī)產(chǎn)量也在經(jīng)歷2010年前后的爆發(fā)后回落。不過(guò)總體來(lái)說(shuō)3C電子市場(chǎng)近幾年保持了相對(duì)平穩(wěn)的增長(zhǎng)，可以預(yù)期未來(lái)繼續(xù)保持低增速的發(fā)展態(tài)勢(shì)。

　　石墨烯獨(dú)特的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的電化學(xué)性能，使其在鋰離子電池領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景，但是目前石墨烯仍然存在制備和應(yīng)用等方面的技術(shù)困難，使其在鋰電池領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用還有較大的距離。因此解決石墨烯自身及其在鋰電池應(yīng)用方面存在的技術(shù)問(wèn)題將會(huì)是石墨烯與鋰電池行業(yè)破局之路的先決條件。