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石墨烯應用七大殺手锏之——電池正、負極材料!
更新時間:2017-12-15 瀏覽數:

 2017-12-15  石墨烯資訊

小烯導讀

隨著研究的不斷發展,高性能鋰電電極材料層出不窮。實際應用中,所制備材料性能無法完全發揮是制約其實現高能量密度、高功率密度的關鍵。石墨烯的高導電性、高導熱性、高比表面積、等諸多優良特性,一定程度上對解決該問題有著非常重要的理論和工程價值。


2015年11月30日,工信部、發改委、科技部聯合印發《關于加快石墨烯產業創新發展的若干意見》。意見指出,要把石墨烯產業打造成先導產業,到2018年,實現石墨烯材料穩定生產;到2020年,實現石墨烯材料標準化,形成若干家具有核心競爭力的石墨烯企業。


2017年5月北京石墨烯產業創新中心成立之時,提出了突破石墨烯應用材料復合化共性技術,實現現有材料升級換代,獲得7個以上國際領先的石墨烯殺手锏應用。近期我們將對七大應用現狀一一報道 。

石墨烯基電池正、負極材料及其優點

石墨烯具有獨立的二維結構、優異的性能和各種潛在的應用價值,是當前材料科學領域研究的熱點,石墨烯基納米材料是一種很有吸引力的鋰離子電池電極材料,尤其針對高能量密度與高功率密度電池。石墨烯基電池,利用鋰離子在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運動的特性,開發出的一種新能源電池。石墨烯是近年來研究較多的一種新型材料,具有良好的導電性能和倍率性能,在鋰離子電池正極材料和負極材料領域極具應用潛力。

石墨烯基正極材料

在正極復合材料中,石墨烯二維高比表面積的特殊結構及其優異的電子傳輸能力,能有效改善正極材料的導電性能,提高鋰離子的擴散傳輸能力。而石墨烯在正極材料中的應用主要是與正極活性物質復合,以進一步提高其性能,諸如此類的研究很多。

石墨烯基負極材料

石墨烯負極材料能夠提高鋰電池理論比容量和倍率性能。負極材料方面,純石墨烯材料由于首次循環庫侖效率低、充放電平臺較高以及循環穩定性較差,并不能取代目前商用的碳材料直接作為鋰離子電池負極材料使用。但石墨烯可以作為一種優異的基體材料在鋰電池復合電極材料中發揮更大的作用。將石墨烯與天然石墨、碳納米管、富勒烯等碳材料復合,能利用石墨烯的特殊片層結構,改善材料的力學性能和電子傳輸能力。同時,摻雜后的石墨烯片層間距增大,提供更多的儲鋰空間。


石墨烯在電池領域的應用形式主要有三種:一是直接作為正/負極材料;二是作為導電添加劑,添加到正/負極電極材料中,或對電極材料進行復合改性處理,提高電極導電性和充放電倍率;三是作為集流體或集流體涂層,用于提高電池功率特性。

中科院寧波材料所動力鋰電池工程實驗室高級工程師薛業建告訴記者,他們采用石墨烯復合錳基氧化物催化劑以及新型石墨烯基高效空氣陰極將單體電池功率密度提高25%,大幅度提升了金屬空氣電池綜合性能。


研究團隊正在積極設計開發用于通訊基站備用電源和電動汽車增程器的5kW級大功率鋁空氣電池系統。此外,寧波材料所已投入300萬元購置的非標準生產線——中試實驗線,于2017年8月底建成。這條生產線可年產金屬空氣電池陰極3.5萬片,“超能電池”未來可批量生產上市。

石墨烯基正、負極材料發展前景

近年來,隨著新能源汽車和移動通訊設備的發展,利用石墨烯改進、提升動力、儲能電池材料的性能,因延長續航里程、電池壽命、同時縮短充放電時間,正成為業內關注的焦點。被認為是新能源汽車電池的突破口。據統計,2014年我國新能源汽車產量是7.48萬輛,2015年增長到30萬輛,預計2020年將會達200萬輛。

石墨烯基正、負極材料相關企業

中國航發北京航空材料研究院

航材院自制石墨烯粉體,將石墨烯作為關鍵電極材料應用于鋰離子電池,充分利用石墨烯優異的導電性和導熱性,使鋰離子電池內阻、工作溫升大幅降低,從而實現了快速充放電和長壽命的兼得。此新型石墨烯鋰離子電池充電時間僅為普通鋰離子電池的十分之一,但使用壽命卻是普通鋰離子電池的5倍,并且有效抑制了發熱問題。如果采用此種石墨烯鋰離子電池,普通手機僅用10分鐘即可充滿。該新型石墨烯鋰離子電池將在汽車、航空、通訊等領域具有重要的市場前景。


珠海聚碳

石墨烯聚碳電池,可用10C的大電流充電,單塊充滿電只要6分鐘,上百塊串聯在一起充電,10分鐘可達95%以上。其功率密度高,能達到達 200~1000W/KG,相當于目前鋰電池的3倍以上,也就是說續航里程能夠達到目前使用一般電池組電動車的3倍左右。該款電池的儲能量是傳統電池產品的三倍,充電次數可達3000次以上,電池的重量不足傳統充電電池的一半,續航里程 1000公里,能實現900秒極速滿電。這款石墨烯基鋰離子移動電源還兼具安全性高、使用壽命長等優點,成為能夠兼顧便捷和安心的移動電源。


奧冠新能源

 2017年6月30日,山東奧冠新能源科技有限公司和青島華高墨稀科技股份有限公司在德州聯合發布“石墨烯超級動力電池”,并就共建“石墨烯電池工程技術中心”簽約合作,雙方將進一步推進石墨烯電池的研發速度和深度,在電池充電時間和使用壽命方面再做突破。

高性能石墨烯鋰電池由動力電池和儲能電池構成,以石墨烯作為電池負極材料添加劑,顯著提高了電池容量、高倍率充放電等性能,較普通動力鋰電池整體性能有明顯提升。電池循環壽命達2500次以上,高于市場上的鋰離子電動汽車1500次左右的循環壽命。

奧冠新能源與華高墨烯研發的這款電池在保證安全穩定無污染的基礎上,力爭將原有充電時間縮短一半以上,電池的使用壽命提高一倍。除此之外,加入石墨烯后,電池在短時間充電、改善低溫性能、增加續航里程等方面也有很大性能提升。

“德州新能源電動車產業發展迅速,電機、電控、電池等核心零部件企業逐步集聚,占車輛三分之一成本的電池,需求量極大?!毙祜L靜說,高性能石墨烯鋰電池問世是行業內的重大突破,可以滿足今后的發展需求,為石墨烯材料的應用產業化走出了一條康莊大道。

 

重慶魯岳實業新能源科技公司

由重慶魯岳實業和旗下新能源科技公司共同出資,主要建設總產能約為1億安時的電池生產線2條,年產能力約為9億安時的石墨烯基鋰離子動力/儲能電池和石墨烯三元鋰離子的動力電池生產線18條。項目將按照三期規劃進行建設,達產后將實現年產10億安時的動力電池,預計實現年產值65億元。目前,由該公司生產的石墨烯基鋰離子電池已經在“panda”新能源汽車上得到應用。

 

佛塑科技

2016年3月1日,公司與上硅所簽署了《石墨烯在動力鋰離子電池中的應用研究及產業化合作框架協議》。雙方共同成立石墨烯動力鋰離子電池研發中心,致力于石墨烯在動力鋰離子電池及高分子膜材料的應用研究及產業化工作,重點攻克石墨烯宏量制備、石墨烯在鋰電池中的使用、技術與產品轉化方面等關鍵問題,為公司發展新能源及新能源業務提供技術創新支持。

目前研發中心基于上硅所開發出的低缺陷、高分散石墨烯量產技術,針對石墨烯在動力電池中面臨的產業化應用難題,在石墨烯基動力電池研發上取得了進展,已研制出新型高導電石墨烯-碳納米管復合導電劑漿料。漿料分散性好,能應用于磷酸鐵鋰動力電池。設計開發出高功率長壽命石墨烯基磷酸鐵鋰動力電池和新型高功率石墨烯基鋰離子電池樣本,目前項目正在建設鋰電池中試生產線。公司還開展了石墨烯在高分子材料的應用研究,如利用乙二醇石墨烯懸浮液進行PET合成等實驗。

結語

石墨烯基電池的問世讓人們對石墨烯應用在電動汽車上充滿了期待。石墨烯基電池容量大、導電性好、充電速度快、可以降低車身重量,是電動汽車的完美解決方案。石墨烯在動力電池上的應用,要以市場需求為牽引,聚焦、破解關鍵技術和突出問題;聚集產、學、研、用等創新要素,搭建更寬廣的全產業鏈發展和創新平臺;并積極與新能源整車企業開展合作。在電動物流車、運輸車、出租車及其他專用車的電池配套產品開發、市場開拓、資本合作等方面,實現強強聯合,助推石墨烯材料在新能源領域的應用。


本文來源:北京科學技術情報研究所,作者:崔銀芳

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