不久前，某知名廠(chǎng)商在法國官方推特上發(fā)布消息，預告其將是第一個(gè)配備“石墨烯電池”的手機品牌，并指出這種電池比以前的型號充電速度更快、更耐用、更小巧。雖然不久這則消息被刪除，但這再次引起了人們對石墨烯及其在電池中所起作用的關(guān)注。那么，目前到底有沒(méi)有“石墨烯電池”?當石墨烯遇到電池又會(huì )給我們帶來(lái)哪些驚喜呢?
石墨烯+鋰電池≠石墨烯電池
我們知道，鋰電池由正極、負極、隔膜、電解液四大材料構成，目前主要應用的負極材料為石墨。而石墨烯是從石墨中剝離出來(lái)、由碳原子組成的只有一層原子厚度(0.35納米)的二維晶體，各項性能優(yōu)于石墨，具有極強導電性、超高強度、高韌性、較高導熱性能等，被譽(yù)為“新材料之王”。人們希望其取代石墨充當電池負極，或者用于鋰電池其他關(guān)鍵材料，以期將鋰電池的能量密度和功率密度大幅提高。
目前，很多人將含有石墨烯材料的電池稱(chēng)為“石墨烯電池”。“其實(shí)，稱(chēng)這些電池為石墨烯電池并不十分科學(xué)和嚴謹，并且這個(gè)概念也不符合行業(yè)命名原則，非行業(yè)共識。”教育部長(cháng)江學(xué)者、國家杰出青年科學(xué)基金獲得者、天津大學(xué)化工學(xué)院教授楊全紅指出，石墨烯因其獨特的物理化學(xué)性質(zhì)，已經(jīng)在鋰電池中展示出巨大的應用潛力。但是，作為一種碳納米材料，石墨烯之于鋰電池并未超出目前常用碳材料的作用范疇。雖然目前科技論文、企業(yè)產(chǎn)品等關(guān)于石墨烯提升鋰電池性能的消息屢見(jiàn)不鮮，但其核心儲能機理并未因石墨烯的加入而改變，因此將添加了石墨烯的鋰電池稱(chēng)為石墨烯電池并不恰當。
此外，從專(zhuān)業(yè)的角度，電池即便以關(guān)鍵材料命名，也一般遵循“正極—負極活性材料”的規則，鋰電池的充放電，由鋰離子在正、負極材料中的嵌入和脫出來(lái)完成。因此，如果命名為石墨烯電池，則石墨烯應該是主要的電極材料，但現在石墨烯類(lèi)似添加劑，在電池中的主要作用是提高電極的導電性或者導熱/散熱特性，并不是電池正負極的活性材料。因此并不能將這樣的電池命名為石墨烯電池，而將之稱(chēng)為石墨烯基鋰電池則更準確。
“從目前技術(shù)發(fā)展階段來(lái)看，石墨烯電池尚未出現。石墨具有層狀結構，這種結構給鋰離子的嵌入設置了一個(gè)閘口，是鋰電池具有充放電平臺和高庫侖效率的決定因素，也是其成為鋰電池關(guān)鍵材料的重要因素之一。”楊全紅說(shuō)，相比而下，不具有層狀結構的石墨烯用作鋰電負極的產(chǎn)業(yè)化前景不樂(lè )觀(guān)，純石墨烯的充放電曲線(xiàn)與硬碳和活性炭材料非常相似，還有首次循環(huán)庫侖效率低、沒(méi)有充放電平臺及循環(huán)穩定性差的缺點(diǎn)。因此，目前純的石墨烯不存在取代石墨類(lèi)材料直接用作鋰電池負極的可能性。但石墨烯基復合材料有可能作為高性能電極材料推動(dòng)鋰電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
“添加劑”讓電池性能提升
“5G時(shí)代來(lái)臨，人們迫切需要電池能夠做到快速充放電、熱傳導快、能量密度高等性能。不可否認的是，‘添加劑’石墨烯能夠使鋰電池性能明顯提升，部分解決目前的產(chǎn)業(yè)瓶頸。”楊全紅表示。
據介紹，碳導電劑對于鋰電池必不可少，但大量非活性、輕組分的碳導電劑會(huì )降低電池體積能量密度(單位體積儲存的能量)，這成為鋰電池發(fā)展的重要瓶頸。楊全紅說(shuō)，將石墨烯用作鋰電池導電劑，可以極大增加碳導電劑的單位碳原子導電效率，一改碳黑等傳統導電添加劑“點(diǎn)—點(diǎn)”接觸模式為“面—點(diǎn)”接觸模式，可以構建“至柔至薄至密”的導電網(wǎng)絡(luò )，大幅降低不貢獻容量的碳導電劑用量，解決碳導電劑用量與高能量需求之間的矛盾，顯著(zhù)提高電池的體積能量密度和充放電性能。
此外，由于石墨烯具有良好的熱傳導性質(zhì)，目前主流手機廠(chǎng)商將石墨烯作為散熱材料使用。作為熱量的優(yōu)良導體，石墨烯同高活性物質(zhì)的有效接觸、保護，一方面可降低電解液在其表面的副反應放熱;另一方面對其充放電，特別是快速充放電產(chǎn)生的大量熱可實(shí)現有效的熱傳遞，降低電池工作過(guò)程中的熱隱患與熱失控，讓整個(gè)電池體系的熱循環(huán)更穩定。
迅猛發(fā)展的電動(dòng)汽車(chē)和3C電子等移動(dòng)智能終端應用，要求二次電池具有盡量小的體積和盡量高的體積能量密度。納米技術(shù)使二次電池的質(zhì)量能量密度和充放電速度大幅提高，但體積能量密度卻很難通過(guò)納米化技術(shù)提高。楊全紅表示，納米材料的致密化是使電極材料同時(shí)具有高的質(zhì)量和體積性能的必由之路。石墨烯是碳材料的基本結構單元，近期的研究表明，基于膠體化學(xué)的石墨烯致密化技術(shù)，可以實(shí)現多孔碳納米材料的致密化，就像將膨化食品轉化為壓縮餅干。這種技術(shù)在鋰電池中最直接的應用就是，可以實(shí)現高性能硅碳電極的致密化，使單位體積鋰電池的容量大幅增加，為消除電動(dòng)汽車(chē)的里程焦慮和3C電子等智能終端電池的小型化提供解決方案。這可能成為未來(lái)石墨烯在提高鋰電池性能方面的重要應用。
可能取代鋰電池的技術(shù)
當今的移動(dòng)世界已離不開(kāi)鋰電池。美國阿貢國家實(shí)驗室能源存儲聯(lián)合研究中心負責人喬治·克拉布特里曾說(shuō)：“這是有史以來(lái)最好的電池技術(shù)。”不過(guò)，許多研究者認為，鋰電池的能量密度已經(jīng)接近其天花板。
那么，未來(lái)會(huì )有哪些能夠取代鋰電池的技術(shù)?
據《科學(xué)美國人》雜志介紹，全球科研工作者正在努力探索不同的技術(shù)路線(xiàn)，如鋰硫電池、鎂電池、空氣電池、液流電池等。
2013年，美國化學(xué)工程師埃爾頓·凱恩斯基于鋰—硫技術(shù)研制出一種僅硬幣大小的新型化學(xué)電池，在美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗室經(jīng)歷1500次充放電循環(huán)后，電池容量只損失一半。據介紹，由于金屬鋰負極的使用，理論上鋰—硫電池能量密度是鋰電池的5倍多。制造電池的PolyPlus公司在實(shí)踐中發(fā)現，增加硫和減少電解液會(huì )使電池更容易壞掉。不過(guò)英國Oxis能源公司看好鋰—硫電池的前景，正在努力開(kāi)發(fā)高能量密度且可應用于電動(dòng)汽車(chē)的鋰—硫電池。
一些研究者認為，相比鋰，下一代電池應該使用更重的元素，比如鎂。相比于一價(jià)的鋰離子，二價(jià)的鎂離子能攜帶兩個(gè)電荷，這意味著(zhù)可以釋放的電能提高了一倍。不過(guò)，攜帶兩個(gè)電荷的鎂離子移動(dòng)速度緩慢，難以通過(guò)電解液和電極，就像是在黏稠的糖漿中穿行。
美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗室材料科學(xué)家克里斯廷·佩爾松和麻省理工學(xué)院材料科學(xué)家赫布蘭德·塞德成立Pellion技術(shù)公司研發(fā)高容量鎂電池。其2013年底公開(kāi)的一大批專(zhuān)利表明，他們正在研發(fā)更開(kāi)放的電極結構，促進(jìn)鎂離子快速傳輸。各大電子產(chǎn)品公司包括豐田、LG、三星和日立等，都在研發(fā)類(lèi)似的鎂電池。
