鋰離子電池正極材料:石墨和石墨烯

石墨

據(jù)媒體估計(jì)，今年隨著電動(dòng)汽車的快速發(fā)展，鋰離子電池需求激增，將帶動(dòng)石墨行業(yè)下行。雖然石墨價(jià)格和銷量還沒有回升，但投機(jī)者對(duì)石墨需求收緊的前景仍持樂觀態(tài)度。

石墨是碳的同素異形體，兩者密切相關(guān)。同素異形體是由同一元素構(gòu)成的不同結(jié)構(gòu)的基本元素。石墨是最穩(wěn)定的碳。鉆石是碳的亞穩(wěn)態(tài)同素異形體。雖然它比石墨(自然界最堅(jiān)硬的物質(zhì))硬得多，但卻不如石墨穩(wěn)定。

石墨一詞來(lái)源于希臘語(yǔ)graphein，它耐高溫、耐腐蝕、導(dǎo)電性好、導(dǎo)熱性好、化學(xué)功能穩(wěn)定，加起來(lái)比鋁輕。除了用于鋰離子電池的陰極數(shù)據(jù)，高質(zhì)量石墨還可用于燃料動(dòng)力電池、太陽(yáng)能電池、半導(dǎo)體、發(fā)光二極管和核反應(yīng)堆。

碳纖維是由碳原子結(jié)合在一起的微晶材料。它的直徑只有5-10米，大約是人類頭發(fā)直徑的十分之一，但它的強(qiáng)度非常高。碳碳鍵沿著聚合物基體形成鍵，就像織布相同。碳纖維比鋼強(qiáng)，但比鋼輕。碳纖維用于高爾夫球桿、自行車車架，并有望取代鋁用于汽車和飛機(jī)的結(jié)構(gòu)框架，如波音787和空客350X。

如今，石墨只占全球電池需求的5%。石墨有兩種來(lái)源:一種是天然礦石，另一種是煤焦油的成分。用于鋰離子電池的石墨材料通常是由55%的石墨和45%的低純度天然石墨混合而成。

制造商曾經(jīng)偏愛石墨的成分，因?yàn)樗忍烊皇鶆颉⒏儍?。然而，今天，使用現(xiàn)代化學(xué)方法凈化天然石墨，使其熱處理達(dá)到99.9%的純度，比99%純度的組成石墨更受歡迎。

與組成石墨相比，純化的天然鱗片石墨的結(jié)晶度更高，電導(dǎo)率和導(dǎo)熱性更好。此外，天然石墨有望降低鋰離子電池的生產(chǎn)成本，使電池性能達(dá)到或更好。用于鋰離子電池的石墨現(xiàn)在每噸售價(jià)為1萬(wàn)美元，而由天然石墨薄片制成的球形石墨每噸售價(jià)僅為7000美元(2015年的價(jià)格)，天然石墨原料甚至更便宜。

可以預(yù)計(jì)的是，石墨最終會(huì)被天然石墨所取代，在未來(lái)，天然石墨更便宜，更環(huán)保。石墨烯是由天然石墨制成的，是科學(xué)家為我們描繪的另一幅藍(lán)圖。

石墨烯

石墨烯是另一個(gè)碳的同素異形體,是一種薄膜的六角形晶格結(jié)構(gòu),只有一個(gè)碳原子層厚度、靈活性的特點(diǎn),透明、防水和強(qiáng)大的比鉆石更簡(jiǎn)單的比黃金導(dǎo)電,在每個(gè)碳原子有三個(gè)電子,電子,與最近鄰原子形成化學(xué)鍵。專家認(rèn)為石墨烯是一種神奇的材料，可以用于許多產(chǎn)品，包括電池。

作為鋰離子電池的陰極數(shù)據(jù)時(shí)，石墨烯的電化學(xué)儲(chǔ)能優(yōu)于石墨，充電速度是石墨的10倍，有望實(shí)現(xiàn)快速充電。此外，鋰離子電池的負(fù)載能力也將得到提高。

關(guān)于傳統(tǒng)的石墨陰極，鋰離子沉積在表面形成樹突。石墨烯完美地解決了這一問(wèn)題，允許鋰離子通過(guò)表面10-20nm處的小孔，并在石墨烯片之間很好地存儲(chǔ)，從而實(shí)現(xiàn)快速充電和最佳儲(chǔ)能。一旦投入使用，這種電池估計(jì)可以儲(chǔ)存10倍于普通石墨陰極的能量。

石墨烯還可以摻入氧化釩中，改善正電極數(shù)據(jù)的電化學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)研究表明，改進(jìn)型正數(shù)據(jù)電池可在20秒內(nèi)充滿電，經(jīng)過(guò)1000次循環(huán)后，容量持續(xù)率可達(dá)90%。石墨烯還被用于超級(jí)電容器和太陽(yáng)能電池的研究，以期提高能量密度。圖3為掃描探針顯微鏡(SPM)下常見的石墨烯晶格。

石墨烯的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)在學(xué)術(shù)界爭(zhēng)論了幾十年，但還沒有商業(yè)化。令人驚訝的是，石墨烯在鉛筆和其他產(chǎn)品中被隨意使用了幾個(gè)世紀(jì)。我們可能要更好地理解的機(jī)制和結(jié)構(gòu)