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石墨烯在储能领域又能做出哪些虎狼之举?

日期:2021-04-10    来源:深圳石墨烯研究院

国际新能源网

2021
04/10
10:28
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关键词: 石墨烯 储能领域 新能源汽车

随着传统能源日渐减少、环境问题日益严重的今天,能源问题成为现阶段制约人类社会可持续发展的关键因素。实现可替代传统能源的可再生能源(如风能、太阳能等)的有效利用,是解决能源危机的重要手段。

而大规模储能技术的引入将有效提高可再生能源发电的入网效率。同时,混合动力车和新能源电动汽车的逐步市场化以及各种便携式用电装置的快速发展,均需要高效实用的电能存储系统。

锂电池现状

在锂离子电池中使用以硅为主,然而作为活性物质,硅材料存在的主要问题有:1)充放电时,体积膨胀达300%~400%,与锂合金化后,晶体硅体积出现明显的变化,这样的体积效应极易造成硅负极材料粉化,并且从集流体上剥离下来。2)由于硅体积效应造成的剥落情况会引起固体电解质膜(SEI)的反复破坏与重建,从而加大了锂离子的消耗,最终影响电池的容量。3)不可逆容量高、库伦效率低导致电池实际容量低、循环寿命差。

硅材料

石墨烯在储能领域的应用

幸运的是石墨烯材料横空出世,它不仅是世界上最坚硬、导热系数最高的材料,也世界上电阻最小的材料,它在常温下电子迁移率超过 15000 cm2/V·s ,是理想的电池材料。

目前石墨烯电池技术有两个大方向,一个是作为阳极镶嵌锂离子,另一种是作为导电剂存在。作为电极材料可以算是传统锂电池的改良版。传统锂电池一直采用多层石墨作为镶嵌结构。如果将石墨分成单层结构(石墨烯),石墨烯作为阳极的锂电池的理论容量将是传统锂电池容量的两倍以上(>744 mAh·g -1)。

石墨烯制备高容量锂电池示意图

石墨烯锂电池快充应用

石墨烯对锂电池的重要性还不仅如此,石墨烯作为目前导热率最高的材料,如果使用石墨烯对锂电池进行散热,锂电池的快充速度能再次提升一个台阶。早在 2015 年的第 56 届日本电池大会上,华为就拿出了使用石墨烯为锂电池散热的技术,展示了 5 分钟即可充满 3000mAh 电池 48% 电量的快充技术成果。

华为石墨烯电池技术

试想一下,如果手机可以三天才充一次电,对于手机党来说,这是多么梦幻般的存在。

新能源汽车续航拯救者

期待石墨烯电池的不仅有手机厂商,还有被续航里程困扰的新能源车企,即使是采用三元锂电池的特斯拉,也是如此,但石墨烯可以改变这种尴尬的局面。在2014 年一家名为 Graphenano 的西班牙石墨烯创业公司与科尔瓦多大学合作研究出全球首个石墨烯聚合材料电池,用此电池提供电力的电动车最多能行驶 1000 公里,而其充电时间不到 8 分钟,可见石墨烯对电池容量和充电速度提升之大。

石墨烯的规模化制备已经基本解决,但如何建立起关键领域的应用仍是问题。目前石墨烯的情形与当初金属铝和半导体硅的发现有类似之处,后两种材料已经为人类在航空航天和信息技术等诸多领域带来了巨大进步。石墨烯的独特性质也有望为人类提供更多革命性的技术进步。

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