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是否又是一場媒體炒作?解讀三星“石墨烯電池”

時(shí)間:2017-11-29 10:07來源:新能源Leader 作者:綜合報(bào)道
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  最近一篇關(guān)于三星石墨烯電池文章甚囂塵上,其實(shí)這已經(jīng)不是所謂的“石墨烯”電池第一次進(jìn)入人們的視野了,此前就有關(guān)于華為“石墨烯”電池的報(bào)道,只不過最后都證明,這只是借“石墨烯”的一場炒作,只是資本吸引人們眼球的策略。此次報(bào)道的三星“石墨烯”電池是否也是一場炒作,還是真正意義上的“石墨烯”電池呢?為此我們找到了報(bào)道中出現(xiàn)的三星“石墨烯”電池論文的原文,為大家做解讀。
 
  這篇來自三星的文章發(fā)表在著名的期刊——NatureCommuinication上,原文的題目如上圖所示,該文的題目的中文翻譯為《用于快速充電和高體積能量密度鋰離子電池的石墨烯球》,從題目可以看到,這篇文章是關(guān)于鋰離子電池材料的一篇論文。題目中提到的“石墨烯球”實(shí)際上是一種利用真空分解技術(shù)在SiOx顆粒的表面生長石墨烯而制成的小球,這種“石墨烯球”即可以涂布在高鎳正極材料表面,抑制副反應(yīng)發(fā)生,也可以作為負(fù)極材料單獨(dú)使用。從上面的介紹可以看到,原文中提到的根本不是所謂的全新的“石墨烯”電池,而是一種采用石墨烯處理的電池材料。
 
  雖然這不是許多媒體口中的具有顛覆意義的“石墨烯電池”,自然談不上取代鋰離子電池了,但是從介紹來看,這仍然是一種優(yōu)異的鋰離子電池材料,特別是在提高鋰離子電池快充性能方面,更是具有非常明顯的優(yōu)勢,因此小編就帶大家一起了解一下,這樣一款高性能的鋰離子電池材料。
 
  文章中的“石墨烯球”(GB)實(shí)際上是In Hyuk Son利用真空分解技術(shù)CVD,以CH4為碳源,在1000℃下與直徑為20-30nm的SiO2發(fā)生反應(yīng),SiO2顆粒被還原成為SiOx,并且顆粒表面包覆了一層石墨烯,反應(yīng)化學(xué)式如下所示。
 
 
  這樣一種材料,我們首先想到的就是作為負(fù)極材料,的確SiOx材料是目前最為成功的高容量負(fù)極材料,但是三星的科學(xué)家卻另辟蹊徑,將“石墨烯球”作為高鎳正極材料的表面涂層材料,涂在NCM613上。三星這樣做也有他們自己的理論:石墨烯作為一種具有良好導(dǎo)電性的材料,非常適合作為正極包覆材料,提高導(dǎo)電性,抑制副反應(yīng)的發(fā)生,但是因?yàn)槭┢g強(qiáng)烈的靜電作用力使得其很容易發(fā)生團(tuán)聚,從而導(dǎo)致石墨烯很難均勻的分散在正極材料的表面。“石墨烯球”能夠很好的解決這一問題,即便是在1%的含量下也能夠很好的分散在NCM613材料之中,在NCM顆粒表面形成一層保護(hù)層,提高材料的界面穩(wěn)定性。
 
 
  下圖是采用“石墨烯球”進(jìn)行包覆處理后的NCM613和沒有經(jīng)過包覆處理的材料的電化學(xué)性能測試結(jié)果。從下圖a和b我們可以看到,經(jīng)過“石墨烯球”處理后的NCM材料,在大倍率下放電能力明顯高于沒有經(jīng)過處理的材料,特別時(shí)在25℃時(shí),這種差別更加明顯。從圖c和圖d中我們也可以注意到,在4.3V、4.4V和4.5V截止電壓下,經(jīng)過包覆處理后的NCM材料(實(shí)心球曲線)的循環(huán)性能要明顯好于對照組,特別是在60℃高溫,這一現(xiàn)象更加明顯,這主要是因?yàn)榫鶆虻?ldquo;石墨烯球”包覆層很好的抑制了界面副反應(yīng)的發(fā)生,從而阻止了NCM材料從“層狀結(jié)構(gòu)”向“巖鹽結(jié)構(gòu)”衰變,提高了NCM材料的循環(huán)性能。
 
  同時(shí)得益于“石墨烯球”良好的導(dǎo)電性,使得我們可以降低NCM電極中導(dǎo)電劑SP的用量,將活性物質(zhì)的比例從92%提高到97%,這也極大的提高了NCM電極的體積比容量,從而提高了鋰離子電池的體積能量密度。
 
 
  除了作為NCM材料的涂層外,“石墨烯球”GB還能夠單獨(dú)作為一種負(fù)極材料使用,與GB-NCM(石墨烯球包覆NCM)使用,從而使鋰離子電池獲得快速充電的能力。作為負(fù)極材料的“石墨烯球”比容量可達(dá)716.2mAh/g(0.1C),在石墨烯良好的導(dǎo)電性的作用下,“石墨烯球”具有優(yōu)異的倍率性能,在10C倍率下,仍然能夠發(fā)揮240.6mAh/g的容量,是0.1C下容量的33.6%。“石墨烯球”不僅具有優(yōu)異的倍率性能,在循環(huán)性能方面也表現(xiàn)優(yōu)異,25℃下,5C倍率循環(huán)500次,容量保持率可達(dá)88%,60℃下,5C循環(huán)500次,容量保持率可達(dá)86.1%。在全電池中“石墨烯球”也表現(xiàn)出了良好的循環(huán)性能,特別是在60℃下,沒有經(jīng)過處理的NMC/石墨電池容量迅速衰降,但是GB-NCM/GB電池則保持了良好的循環(huán)性能(下圖e)。
 
  當(dāng)然“石墨烯球”作為負(fù)極材料時(shí)還面臨一個(gè)問題,那就是首次庫倫效率較低,這主要是因?yàn)槭┹^大的比表面積,導(dǎo)致在低電勢下副反應(yīng)較多,消耗了較多的Li+。為了解決這一問題,In Hyuk Son在使用“石墨烯球”作為負(fù)極材料時(shí),需要首先對其進(jìn)行了預(yù)鋰化處理,在目前負(fù)極預(yù)鋰化技術(shù)還不成熟的前提下,首次效率較低也是需要我們認(rèn)真考慮的問題。
 
 
  從上面的介紹不難看出,所謂的三星“石墨烯電池”只不過是一個(gè)炒作的噱頭,其實(shí)本質(zhì)上只是一種石墨烯/SiOx復(fù)合納米顆粒——“石墨烯球”,而且這種“石墨烯球”更加適合作為一種NCM材料的表面涂層材料,提高NCM材料的界面穩(wěn)定性,提高循環(huán)性能;改善NCM材料的導(dǎo)電性,提高NCM的倍率性能,同時(shí)得益于石墨烯材料良好的導(dǎo)電性,能夠顯著的提高電極中正極活性物質(zhì)的比例,提高鋰離子電池的體積能量密度。
 
  雖然“石墨烯球”能夠作為負(fù)極材料使用,并且也具有優(yōu)異的倍率和循環(huán)性能,但是因?yàn)槠涫状涡实停仨毰浜涎a(bǔ)鋰工藝使用,因此在現(xiàn)階段補(bǔ)鋰工藝還不成熟的前提下,“石墨烯球”是否適合作為鋰離子電池負(fù)極材料還值得商榷。
 
  因此總的來說,這個(gè)材料更應(yīng)該稱作是“鋰離子電池新型石墨烯添加劑”比較合適,而不是有的媒體所吹捧的“石墨烯電池”。
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文章標(biāo)簽: 鋰電池 負(fù)極材料 三星 石墨烯
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