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石墨烯暂不适合用于锂离子电池材料的原因

来源:小鱼儿玄机2站  日期:2020-02-19 16:12  浏览量:

石墨烯暂不适合用于锂离子电池材料的原因。石墨烯电池材料的性能优异毋庸置疑,但是它是否就一定适合用于锂离子电池呢?将石墨烯材料用作电极材料或与其他材料的复合能够在一定程度上发挥优势,对锂电池性能的提升有一定的效果。

石墨烯暂不适合用于锂离子电池材料的原因

锂离子电池材料.jpg

1.成本问题

使用石墨烯作为导电剂成本比普通的炭黑高多了,锂电池的成本是关键的控制因素,不降低原材料的成本,即使石墨烯电学性能再好,一吨几十万的成本消耗电池厂家也用不起。

2.工艺问题

石墨烯的片状结构带来的工艺问题主要是电极浆料的制备。电极浆料要求具有很好的流动性、分散性和合适的粘度。片状石墨烯在电极浆料中的分散是个很棘手的问题,尤其是电极浆料无法添加分散剂来助分散。石墨烯的表面积很大,对于浆料的沉降稳定性有很大的影响,且无法保证各批次一致性,影响锂离子电池性能。

3.其它因素

石墨烯的片状结构抑制锂离子的扩散,容易造成锂离子电池极化严重,造成锂电池容量降低。石墨烯表面丰富的官能团就是石墨烯表面的小伤口,添加过多不仅会降低电池能量密度,而且会增加电解液吸液量,另外一方面还会增加与电解液的副反应而影响循环性,甚至有可能带来安全性问题。

石墨烯材料由于首次库仑效率低、充放电平台较高以及循环稳定性较差等缺陷并不能取代目前商用的碳材料直接用作锂离子电池负极材料。如果综合考量材料成本、生产工艺、加工性和电化学性能,笔者认为,石墨烯或者石墨烯复合材料实际用于锂电负极材料的可能性很小产业化前景渺茫。

石墨烯在锂电池材料中扮演的角色

●负极材料

石墨烯由于其独特的二维结构、优异的电子传输能力以及超大的比表面积等优势极有潜力替代石墨成为新一代锂离子电池负极材料。石墨烯的储锂机制与其他碳材料相似,充电时锂离子从正极脱出经过电解质嵌入碳材料层间形成形成Li2C6,放电时锂离子脱出返回正极。

●石墨烯作为导电剂

导电剂的首要作用是提高电子电导率,由于电解液是离子导电的,而电子是无法传导的,故导电剂是促进电子快速穿过活物质到达集流体。另外,导电剂也可以提高极片加工性,促进电解液对极片的浸润,降低电阻率,从而提高锂电池的使用寿命。

●正极材料

对于锂离子电池,可应用的正极材料应当满足可逆容量大、电位高且稳定、无毒害、制作成本低等特点。目前较为常见的锂离子电池正极材料多为磷酸铁锂材料,但LiFePO4的电导率差、锂离子迁移率较低。若将LiFePO4材料与石墨烯复合,理论上可以改善其导电能力,提高倍率性能。

石墨烯锂离子电池材料的应用前景

石墨烯作为一种新型纳米材料,以其特殊的二维单层延伸碳结构、出色的导电性、导热性、韧性及强度等优异性能,在功能材料、能源等多个领域有着广泛的应用前景。在石墨烯技术与应用方面,由于石墨烯应用在电子领域还处在实验阶段,最快可实现产业化应用的领域包括能源、环境和复合材料等领域。

然而,在石墨烯电极材料开发的初级阶段,仍有许多问题需要解决,例如复合材料的循环性能由于材料微观结构不可逆改变而严重下降;电池的倍率性能大小不够理想;材料制备成本对实际使用推广的局限作用等。

总结:石墨烯的振实和压实密度都非常低,成本极其昂贵,根本不存在取代石墨类材料直接用作锂离子电池负极的可能性。石墨烯在锂离子电池的应用比较多元化,目前已经实现商业化的是用在正极材料中作为导电添加剂,未来石墨烯前景无限。

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