石墨烯作鋰電池負(fù)極材料面臨哪些問題?
近幾年來，石墨烯這種獲過諾獎的材料一直廣受社會關(guān)注，在相關(guān)媒體上也充滿了各種"石墨烯電池"等方面的新聞。
廣大群眾此時可能會好奇:石墨烯這種材料到底有多少用處，能不能依靠它來解決目前材料、電池等方面遇到的一系列技術(shù)瓶頸，幫助電動汽車、儲能等行業(yè)實(shí)現(xiàn)飛躍?下面涂布在線結(jié)合實(shí)際給出了正確的答案!
1. 成本問題
傳統(tǒng)導(dǎo)電炭黑和石墨都是論噸賣的(一噸幾萬元)，論克賣的石墨烯哪天能降到這個價(jià)?即使按照某些媒體報(bào)道的石墨烯降低到3元/克，換算成噸也要300萬元/噸。要知道，現(xiàn)在鋰電池用的各種材料，都是一噸幾萬十萬左右的東西，而且天天承受著社會各界要求降價(jià)的壓力，用石墨烯替代完全不現(xiàn)實(shí)。
如果還能再便宜點(diǎn)，也有企業(yè)聲稱自己的石墨烯可以逼近一般炭黑和石墨的價(jià)格，其實(shí)此時使用的材料就是石墨微片(可能有幾十層)，根本不是單層或數(shù)層的石墨烯。此時廠商出現(xiàn)的問題就是虛假宣傳炒作概念，有違誠信欺瞞國家政府以及廣大納稅人。
2. 工藝特性不兼容
就是石墨烯比表面積過大，會對現(xiàn)有鋰離子電池的分散均漿等工序帶來一大堆工藝問題。如果電池廠調(diào)工藝會累死，又沒有性能指標(biāo)突破性進(jìn)步帶來的足夠的利潤空間驅(qū)動，誰愿意上這個技術(shù)?石墨烯表面特性受化學(xué)狀態(tài)影響巨大，批次穩(wěn)定性，循環(huán)壽命等等都有很多問題，目前來看無法滿足鋰電池生產(chǎn)的一堆細(xì)致的要求。
關(guān)于石墨烯對于調(diào)漿實(shí)際工藝的影響，有Oak Ridge NaTIonal Laboratory與Vorbeck(有名的石墨烯業(yè)內(nèi)廠商)的披露的研究成果，他們發(fā)現(xiàn)石墨烯對于漿料的工藝的性能有很消極的影響，如下圖所示:
即使以上問題都得到了解決，還有下面的問題存在。
3. 效率低
如果石墨烯做負(fù)極:理論上最多是石墨負(fù)極兩倍的容量，首次效率低，性能受表面狀態(tài)影響極大。
4. 石墨烯做導(dǎo)電劑價(jià)格昂貴
石墨烯是可以做導(dǎo)電劑促進(jìn)快充放，理論上可以提高倍率性能，但是如果分散工藝不到位混料不均，一切都是空中樓閣;另外碳家族物美價(jià)廉的材料多的很，并不存在非要使用價(jià)格昂貴的石墨烯的理由;并且而且石墨烯是2D材料，如果把它展開與電極活性物質(zhì)復(fù)合，會堵塞鋰離子擴(kuò)散的通道。因此真要是投入實(shí)用，到底有利還是有害，其實(shí)不太好說。
涂布在線再說一點(diǎn)題外話:石墨烯只是納米材料的一種，在過去的十幾年中，納米材料科研界常常過分傾向于造噱頭和"灌水"，工作的可重復(fù)性常常都很差，所做技術(shù)與實(shí)用化目標(biāo)脫節(jié)十分嚴(yán)重，這一現(xiàn)象已經(jīng)廣受科研界中的一部分有識之士，以及工業(yè)界的詬病。
比如鋰電泰斗Goodenough、Mauger、Julien教授就曾經(jīng)質(zhì)疑過MIT的磷酸鐵鋰快充的工作Battery materials for ultrafast ging and disging，發(fā)表了文章Unsupported claims of ultrafast ging of LiFePO4 Li-ion batteries(幾十C的快充，對應(yīng)時間為幾分鐘充放電)，認(rèn)為這些成果最多也就是在概念上可行而已。
很多納米材料的優(yōu)良性能僅僅體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室級別的克甚至微克級產(chǎn)能，在放大規(guī)模化生產(chǎn)的前景方面很多都存在先天不足的缺陷，與現(xiàn)有工業(yè)中的許多基于微米級材料發(fā)展得來的技術(shù)從根本上不兼容。
而且納米材料常常是只能以低維材料形式存在/使用，無法真正地應(yīng)用在實(shí)際宏觀三維的用途之中。筆者建議政府應(yīng)該從政策導(dǎo)向上，更多推動具有工業(yè)化前景的技術(shù)的開發(fā)，加大對于中試項(xiàng)目的扶持，從而達(dá)到選賢任能的目的，讓科研更好地促進(jìn)工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步。
5. 石墨烯功能涂層鋁箔成本高
至于石墨烯功能涂層鋁箔:其實(shí)際性能跟普通碳涂覆鋁箔(A123聯(lián)合漢高開發(fā))并無多少提高，反倒是成本和工藝復(fù)雜程度增加不少，該技術(shù)商業(yè)化的可能性很低。
總之，石墨烯用做鋰離子電池負(fù)極材料，相對于傳統(tǒng)炭系材料并無性能上的明顯優(yōu)勢，而且納米材料應(yīng)用困難，成本高昂，發(fā)展前景堪憂。
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