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分析锂电池电池正极材料:高纯石墨与石墨烯材料

分析锂电池电池正极材料:高纯石墨与石墨烯材料

来源:
2021/08/25 14:52
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【摘要】:

  正极材料:石墨、石墨烯

  石墨

  据媒体估计,今年随着电动汽车的快速发展,锂电池需求激增,将带动石墨行业下行。虽然石墨价格和销量尚未回升,但投机者对石墨需求趋紧的前景仍持乐观态度。

  石墨是碳的同素异形体。这两者关系密切。同素异形体是由同一元素构成的不同结构的基本元素。石墨是最稳定的碳。金刚石是碳的亚稳态同素异形体。虽然它比自然界最坚硬的物质石墨硬得多,但它不那么稳定。

  石墨的名字来自希腊单词石墨烯,它耐高温、耐腐蚀、良好的电导率和导热性,化学稳定性好,总体上比铝轻。除了锂电池的阴极数据,高质量石墨还可以用于燃料、半导体、发光二极管和核反应堆。

  碳纤维是由碳原子结合在一起形成的微晶材料。它的直径只有5-10米,大约是人类头发直径的十分之一,但它非常结实。碳碳键沿着聚合物基质形成键,就像织布一样。碳纤维比钢更坚固但更轻。碳纤维用于高尔夫球杆、自行车框架,并有望取代铝用于汽车和飞机的结构框架,如波音787和空客350X。

  如今,石墨仅占全球电池需求的5%。石墨有两个来源:一个是天然矿石,另一个是煤焦油的成分。锂电池中使用的石墨材料通常是55%的石墨和45%的低纯度天然石墨的混合物。

  制造商过去更喜欢石墨的成分,因为它比天然石墨更均匀、更纯净。然而,今天,使用现代化学方法净化天然石墨并将其热处理到99.9%的纯度比其成分石墨的99%纯度更受欢迎。

  纯化后的天然鳞片石墨具有较高的结晶度、较好的导电性和导热性。此外,天然石墨有望降低锂电池的生产成本,使电池性能持平或更好。用于锂电池的石墨现在售价为每吨1万美元,而由天然石墨薄片制成的球形石墨售价仅为每吨7000美元(2015年的价格),天然石墨原料甚至更便宜。

  可以预见,石墨最终将被天然石墨所取代,后者在未来将更便宜、更环保。石墨烯由天然石墨制成,是科学家为我们描绘的另一幅蓝图。

  石墨烯

  碳的石墨烯是另一个allotrop六角晶格结构的薄膜,只有一个碳原子层厚,灵活的特点,透明、防水和强大的比钻石比黄金更简单导电,在每个碳原子有三个电子,电子,和最近邻原子形成化学键。专家认为石墨烯是一种神奇的材料,可以用于许多产品,包括电池。

  石墨烯作为锂电池的负极材料,其电化学储能性能优于石墨,充电速度比石墨快10倍,具有快速充电的潜力。此外,锂电池的负载能力也将得到提高。

  用传统的石墨阴极,锂离子沉积在表面形成枝晶。石墨烯完美地解决了这个问题,它可以让锂离子通过表面10-20nm的孔洞,并在石墨烯薄片之间很好地存储,从而实现快速充电和最佳储能。一旦投入使用,这种电池预计能储存10倍于普通石墨阴极的能量。

  石墨烯还可以掺入氧化钒中,以改善正电极数据的电化学性能。实验研究表明,改进后的正数据电池可在20秒内充满电,1000次循环后容量持续率可达90%。石墨烯还被用于超级电容器和太阳能电池的研究,目的是增加能量密度。图3为扫描探针显微镜(SPM)下的普通石墨烯晶格。

  石墨烯的优势在学术界争论了几十年,但尚未商业化。令人惊讶的是,几个世纪以来石墨烯一直被广泛应用于铅笔和其他产品中。我们可能需要更好地理解其机制和结构

 

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