解决电动车续航的灵丹妙药?简析石墨烯对电池技术发展的贡献

闻岩

【第一电动网】(特约作者 闻岩)2015年11月下旬,某通信设备企业高调发表了其最新产品。该产品采用石墨烯作为电池材料,可大大缩短充电时间,提高电池的充电容量。这份报道一举引发众人的瞩目,并将社会对石墨烯的关注程度提高到新的高度。

解决电动车续航的灵丹妙药?简析石墨烯对电池技术发展的贡献

一、石墨烯是什么?

从百度百科中,我们可以知道:

1. 石墨烯(Graphene)是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。

2. 石墨烯既是最薄的材料,也是最强韧的材料,断裂强度比最好的钢材还要高200倍。同时它又有很好的弹性,拉伸幅度能达到自身尺寸的20%。它是目前自然界最薄、强度最高的材料。

3. 石墨烯是目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料,石墨烯被称为“黑金”。

一句话,石墨烯是一种纳米数量级的材料,具有高强度、高弹性和高导电性等性质。

作为一种纳米材料,石墨烯给人的最初印象是,它可能成为一种制造太空电梯材料的候补。即使在百度百科中,石墨烯的电学性能也仅仅占其性能的一部分。如果不是在第三点中“顺便”提了一下其高导电性的话,仅从定义中很难找到石墨烯和电池的关系。

不过,纳米材料是人类没有涉及到的一类世界,我们从宏观世界中所得到的种种“常识”,在微观世界里并不能很好地再现。

如果说,纳米数量级的石墨烯能够对提高电池的性能有什么帮助的话,需要从电池的原理上进行分析。

二、电极材料与电池容量的关系

我们知道:从微观的角度看蓄电池的充放电过程,实际上是一个阳离子在电极中“镶嵌”和“脱离”的过程。所以,如果电极材料中的孔洞越多,则这个过程进行的越迅速。在宏观的角度看则表现为蓄电池充放电的速度越快。

石墨烯的微观构造,是一个由碳原子所组成的网状结构。因为具有极限的薄度(只有一层原子的厚度),所以阳离子的移动所受限制很小。同时正因为具有网状结构,由石墨烯所制成的电极材料也拥有充分的孔洞。

从这个方面看,石墨烯无疑是一种非常理想的电极材料。

据位于美国纽约州的伦斯勒理工学院(RPI,Rensselaer Polytechnic Institute)的研究者的研究表明:使用石墨烯作为电池的样机材料,其充放电速度将超过锂离子蓄电池的10倍。

三、石墨烯研究的现状

美国普渡大学(Purdue University)正在研究通过新的、更加简单的方式制造纳米电极材料的工艺。该大学的研究表明,在电池中使用纳米材料,将会增加电池的充电容量和充放电速度。

目前,韩国的三星电子也在从事旨在硅表面添加石墨烯涂层的硅基阳极物质的研究。如果该研究能够取得成功,锂离子蓄电池的寿命将会提高到2倍以上。

该研究综合了硅基材料寿命长和石墨烯材料充电容量大的优点,重点解决如何在硅基材料上建立石墨烯涂层的工艺化问题。

三星的研究人员通过在碳化硅电极的表面涂布石墨烯涂层,有效地扩展了阳极的表面积。同时与阴极所使用的锂钴氧化物进行组合,使电池的充电电源的单位体积能量密度油料较大的提高,其寿命也增加到母线市场销售的锂离子蓄电池的1.5-1.8倍。

2015年9月2日,据日本的科学技术振兴机构(JST)与日本东北大学的原子分子材料科学高等研究机构(AIMR)发表,在作为下一代蓄电池而被热切期待的锂空气电池中,通过使用具备三维构造的多孔材质石墨烯作为阳极材料,获得了较高的能量利用效率和100次以上的充放电性能。如果电动车使用这种新型电池,则巡航里程将从目前的200公里左右增加到500-600公里左右。

锂空气电池是一种用锂作阳极,以空气中的氧气作为阴极反应物的电池。其阳极通过金属锂与空气中的氧气发生氧化方应生成过氧化锂而放电,并通过过氧化锂分解成锂与氧气而充电。

锂空气电池与目前所使用的锂离子蓄电池相比,其充电容量将增加5-8倍。因此,被认为是接替锂离子蓄电池的下一代蓄电池。但是,锂空气电池在能量利用效率与充放电重复性能方面仍然存在着很多的问题。

从原理上讲,锂空气电池的充放电过程,是一个金属锂与空气在由固体、液体以及气体所构成的三相界面上进行电子的交换过程。如何能够有效地将液体与气体进行混合,并有效地进行氧化锂离子和还原过氧化锂离子是个关键。

为解决这个问题,研究小组使用了多孔体的阳极材料。即使用了渗氮多孔石墨烯,在其上吸附二氧化钌(RuO2)作为反应催化剂的材料结构。

这种纳米级多孔石墨烯材料,带有100-300纳米的微细孔洞,通过这些微细孔洞中,可圆滑地传送锂离子、氧气以及电解质。并能够储藏在放电反应中生成的过氧化锂离子。同时,因为这种结构具有较大的表面积,所以兼具促进充电时所以进行的过氧化锂离子的分解反应的效果。

研究小组通过扫描电镜(SEM)的检查发现:经纳米多孔石墨烯电极的充电前后状态对比,充电前在多孔石墨烯孔洞中存在的过氧化锂离子,在充电后已经消失;而经过放电过程后,多空石墨烯孔洞中复又充满了过氧化锂离子。

另外,经穿透电镜(TEM)对经过50次充放电后二氧化钌纳米粒子的状态观察,没有发现离子尺寸的变化,由此得知多次重复充放电过程并不会带来催化剂的劣化。

四、展望

如前所述,石墨烯是一种比较理想的蓄电池电极材料。如果电池技术中能够使用到石墨烯这种纳米材料,将会从根本上改变电池的性能,进而使目前只能局限于城市内部交通的电动车,成为与内燃机车并驾齐驱的交通工具。

但是,我们应该认识到:关于石墨烯技术,目前仍然处于实验室的理论研究阶段。与实际应用仍然间隔着千山万水。

我们知道,某项技术在实验室中被证明是可行的,并不意味着该技术已经进入实用阶段。实验室中技术的实现方法,与工业生产中的实现方法完全是两种境界的事物。

比如,同样是制取氧气,在实验室中可以通过加热高锰酸钾来实现;而在工业生产中,则是通过液化空气来实现的。

实验室制氧是通过化学反应;工业制氧是物理反应。同样获得氧气,两者采用的是完全不同的原理。

实验室中即使能够制取出石墨烯,也并不意味着石墨烯技术已经进入我们的生活,更不能认为使用石墨烯作为电极材料的蓄电池已经可以进行量产。

在实验室里得到的成果,仅仅是证明了某种物质能够实现某个目标,在原理上可行。与正式的大规模工业化量产仍然相距甚远。

一般来说,某项技术在实验室取得成果后,在不考虑各种行政部门的审批以及资金支持的前提下,至少需要以下的几个步骤才能真正进入生产环节:

1. 小规模生产实验

研究提高生产出实验室同样结果的更加有效的方法;

2. 中规模生产实验

研究利用工业化产能及现有工业生产资源(包括自然资源及工业制品)进行生产的可能性。同时,解决在小型化生产实验中所没有暴露出来的问题。

在产品量产化之前,这一步骤很重要,需要解决的问题也非常多。因为往往在小规模的情况下,很多并不很严重的问题在规模扩大的情况下,变得很突出。比如,在实验室中几乎不需要考虑生产过程中产生的污染、腐蚀及废弃物排放问题;

3. 大规模生产的工艺设计

总结中型化生产实验的结果,进行大规模生产的工艺设计,生产流水线以及各步骤的工艺要求,质量检验系统,降低成本等等。

从实验室成果转化为工业化产品的周期非常长。如果想赶时间,在某一步骤没能得到妥善解决的情况下就贸然进入工业化生产,就会为后面的量产带来隐患,甚至无法实现量产。

作为其实例:丰田公司生产的燃料电池车,恐怕就是因为上述(2)和(3)步骤的问题,而导致产品的产量极低(2015年产量为700台,即3台/工作日)。这个产量相当于著名跑车——法拉利产量(7,000台/年)的1/10。

对于媒体所报道的关于石墨烯电池研究有了新的进展的消息,确认令人非常振奋!但是,即使该报道内容准确,研究也处于最理想的状态下,我们能真正享受到石墨烯带给我们的种种便利,也需要一个漫长的等待时间。

作者:闻岩

来源:第一电动网

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