石墨烯：动力锂电池的新伴侣
发布时间：2019-08-18 01:11:15
因诺贝尔奖而进入大众视野的石墨烯，是一种新型碳纳米材料，由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状结构。石墨烯具有优异的电学、热学、结构和力学性能，以及完美的量子隧道效应、从不消失的电导率等一系列特殊性质。因为这些性能，它在下一代晶体管、透明导电膜、储能技术、化学传感、功能复合材料等与人类生产生活息息相关的领域应用前景广阔，被认为是一种有可能改变世界的新材料。人们对石墨烯基超级计算机的前景尤其乐观，但从技术上来讲，这种超级计算机在未来20年内难以成为现实。不过，中国科学院宁波材料技术与工程研究所的最新研究成果表明，石墨烯的产业化应用有望在动力锂离子电池领域率先实现。
该所动力锂电池技术研究团队负责人刘兆平研究员介绍说，磷酸铁锂正极材料是未来电动汽车动力电池的关键材料，但其生产技术一直为美国与加拿大的专利所垄断，现在中国还在为此与他们进行法律交涉。“第一轮官司中国赢了。如果他们赢了，每生产一吨磷酸铁锂要收1万元人民币的专利费，这对我们的电动汽车产业将是一个重大打击。”
刘兆平说：“我们从2008年起开始石墨烯的研究，通过石墨烯与磷酸铁锂的融合，提升了动力锂电池的性能，这才绕过他们的专利壁垒。”
刘兆平认为，石墨烯在动力锂电池领域有如下两个重要的应用方向，并很有可能在短期内取得重大突破。
一个方向是石墨烯复合电极材料。石墨烯凭借其优异的导电性能可以提升电极材料的电导率，进而改善其充放电性能；同时，石墨烯“柔韧”的二维层状结构又可有效抑制电极材料在充放电过程中因体积变化引起的材料粉化，并增强与集流体间的导电接触。因此，石墨烯改性能够改进众多锂电池正负极材料的电化学性能，磷酸铁锂/石墨烯复合正极材料就是一个很好的例子。
另一个颇具应用前景的发展方向则是用石墨烯作为动力锂电池的导电添加剂。初步研究结果表明，加入石墨烯导电添加剂后，锂电池的大电流充放电性能、循环稳定性和安全性都因此得到了极大改善，其效果甚至超出了目前高性能动力锂电池用的碳纳米管导电添加剂。
但是，石墨烯要想在上述方向获得真正的应用，亟须攻克其低成本规模化制备的难关。现有的机械剥离、化学气相沉积、外延生长以及溶液相氧化还原等诸多制备方法虽然各具特色，但均难以实现高质量低成本的石墨烯规模化制备。
不过，。“由于此前石墨烯的规模化制备技术未突破，市场没有批量石墨烯的供应，所以我们团队从一开始就布局了石墨烯的制备研究。”刘兆平高兴地说：“目前我们已经突破了石墨烯低成本规模化制备技术的瓶颈，并刚刚建成一条年产30吨的石墨烯中试生产示范线。”
团队成员周旭峰博士进一步介绍说，团队摒弃了传统的氧化—剥离—还原制备路线，经过近一年的集中攻关，创新地发展出高效的插层—膨胀—剥离方法，在石墨烯低成本规模化制备技术上取得了突破性进展，成功获得了厚度2至5纳米，尺寸在5至10微米，电导率超过500S/cm的石墨烯。相比于传统的氧化—剥离—还原方法，该方法不仅避免了对石墨烯结构的破坏，维持了高导电性，而且制备工艺大大简化，成本低廉，易于放大生产。在目前的中试工艺条件下，石墨烯制备成本可控制在每公斤3000元内，预期提升制备规模后，可进一步降低生产成本，满足其在锂离子电池等领域的应用需求。
石墨烯低成本规模化制备技术的突破为其在动力锂电池中的应用奠定了坚实的基础，并有望使锂电池驱动的电动车跑得更快、更远、更安全。刘兆平说：“我们已经开始技术转移，石墨烯的产业化应用有望在锂离子电池领域率先实现。当然，动力锂电池的性能还有很大提升空间，我们还将进行更深入的研究。”
（本报记者 佘惠敏）
该所动力锂电池技术研究团队负责人刘兆平研究员介绍说，磷酸铁锂正极材料是未来电动汽车动力电池的关键材料，但其生产技术一直为美国与加拿大的专利所垄断，现在中国还在为此与他们进行法律交涉。“第一轮官司中国赢了。如果他们赢了，每生产一吨磷酸铁锂要收1万元人民币的专利费，这对我们的电动汽车产业将是一个重大打击。”
刘兆平说：“我们从2008年起开始石墨烯的研究，通过石墨烯与磷酸铁锂的融合，提升了动力锂电池的性能，这才绕过他们的专利壁垒。”
刘兆平认为，石墨烯在动力锂电池领域有如下两个重要的应用方向，并很有可能在短期内取得重大突破。
一个方向是石墨烯复合电极材料。石墨烯凭借其优异的导电性能可以提升电极材料的电导率，进而改善其充放电性能；同时，石墨烯“柔韧”的二维层状结构又可有效抑制电极材料在充放电过程中因体积变化引起的材料粉化，并增强与集流体间的导电接触。因此，石墨烯改性能够改进众多锂电池正负极材料的电化学性能，磷酸铁锂/石墨烯复合正极材料就是一个很好的例子。
另一个颇具应用前景的发展方向则是用石墨烯作为动力锂电池的导电添加剂。初步研究结果表明，加入石墨烯导电添加剂后，锂电池的大电流充放电性能、循环稳定性和安全性都因此得到了极大改善，其效果甚至超出了目前高性能动力锂电池用的碳纳米管导电添加剂。
但是，石墨烯要想在上述方向获得真正的应用，亟须攻克其低成本规模化制备的难关。现有的机械剥离、化学气相沉积、外延生长以及溶液相氧化还原等诸多制备方法虽然各具特色，但均难以实现高质量低成本的石墨烯规模化制备。
不过，。“由于此前石墨烯的规模化制备技术未突破，市场没有批量石墨烯的供应，所以我们团队从一开始就布局了石墨烯的制备研究。”刘兆平高兴地说：“目前我们已经突破了石墨烯低成本规模化制备技术的瓶颈，并刚刚建成一条年产30吨的石墨烯中试生产示范线。”
团队成员周旭峰博士进一步介绍说，团队摒弃了传统的氧化—剥离—还原制备路线，经过近一年的集中攻关，创新地发展出高效的插层—膨胀—剥离方法，在石墨烯低成本规模化制备技术上取得了突破性进展，成功获得了厚度2至5纳米，尺寸在5至10微米，电导率超过500S/cm的石墨烯。相比于传统的氧化—剥离—还原方法，该方法不仅避免了对石墨烯结构的破坏，维持了高导电性，而且制备工艺大大简化，成本低廉，易于放大生产。在目前的中试工艺条件下，石墨烯制备成本可控制在每公斤3000元内，预期提升制备规模后，可进一步降低生产成本，满足其在锂离子电池等领域的应用需求。
石墨烯低成本规模化制备技术的突破为其在动力锂电池中的应用奠定了坚实的基础，并有望使锂电池驱动的电动车跑得更快、更远、更安全。刘兆平说：“我们已经开始技术转移，石墨烯的产业化应用有望在锂离子电池领域率先实现。当然，动力锂电池的性能还有很大提升空间，我们还将进行更深入的研究。”
（本报记者 佘惠敏）
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