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石墨烯材料助力 锂离子电池性能更上一层楼

时间:2018-01-05 12:09 来源:未知 作者:admin 点击:
图2 全球车用动力电池市场规模 单位:百万瓦时MWh 因此, 三度论坛 ,不论锂离子电池的用途为何,随着需求与规格不断的提高,国际大厂莫不积极寻找提高性能的解决方案,而这样殷切地期盼也给石墨烯(Graphene)进入锂离子电池应用带来最佳契机。 石墨烯电学性能
图2 全球车用动力电池市场规模 单位:百万瓦时MWh

  因此,三度论坛,不论锂离子电池的用途为何,随着需求与规格不断的提高,国际大厂莫不积极寻找提高性能的解决方案,而这样殷切地期盼也给石墨烯(Graphene)进入锂离子电池应用带来最佳契机。

  石墨烯电学性能佳 电池应用有潜力

  石墨烯的命名是用以描述碳原子排列成单层蜂巢状的二维晶体,以sp2混成轨域组成,厚度仅一个碳原子直径的0.34nm,是目前世界上最薄也是最坚硬的材料。其独特的性质在力学表现方面,仅仅一个原子层的厚度,却拥有130 GPa的拉伸强度,远高于不锈钢百倍以上,比重却仅约钢铁的四分之一;热学性质方面,石墨烯在热传导系数的表现,甚至超越任何已知的材料,自由悬浮、无基材承载的石墨烯,可以量测到20004000W/m K的优秀数值,超过钻石及其他任何金属材料;光学性质方面,单层的石墨烯在所有波长范围的光穿透度都达到97.7%,仅仅随着石墨烯的层数增加而减少,可说是几乎完全透明的材料;电学性质方面,电阻率来到10-6Ω.cm,较铜与银都低,为目前已知材料中于室温下电阻最低且电子迁移率高达2.105cm2/V.s,是矽的10倍以上。

  这些独特的电荷机械性质使得加入石墨烯的复合材料更多功能化,不但表现出优异的力学及电学性能,还具有优良的加工性能,为材料应用领域开启了新的篇章。

  石墨烯悬浮溶液解决电池量产瓶颈

  近年已有非常多文献利用石墨烯取代传统导电碳作为导电添加剂,藉由石墨烯的高导电性提升锂离子电池和超级电容器的功率密度,也提出非常多令人惊艳的数据。然而,实验室得出的惊人数据往往无法在产品量产时得到再现,且差异颇大。

  出现巨大差距的原因在于石墨烯类似其他奈米材料,堆积密度极低造成体积庞大,且石墨烯相互之间凡德瓦尔力(van der Waals Force)所造成的团聚现象,都影响石墨烯导入应用的方便性。尤其是石墨烯表面不仅具有疏水性,对多数有机溶剂也不相容,因此当石墨烯添加于任一种材料时,团聚沈淀问题更显严重。

  这个问题在实验室进行非常小量的实验生产时并不明显,或是可以靠简单的机械甚至是手工方式解决,但在大量生产时,从石墨烯进料开始就对机器设备产生极大的考验,一旦在进料时即发生团聚现象,往往造成设备堵塞甚至损坏,而无法均匀地分散石墨烯,也导致了效能不如预期的结果。

  虽然一般直觉会利用分散剂来改善石墨烯团聚的问题,然而市面上多数的分散剂对于分散石墨烯不见得有效,更可能会因为界面阻抗而降低石墨烯的导电性能,对于电化学装置,特别是锂离子电池而言,分散剂能否在不同电压甚至是高电压的循环操作下稳定存在,而不会产生副反应或是影响安全性的疑虑,是更重要的考量。因此,如何在既有的操作环境下解决团聚的问题又不改变石墨烯的导电性,决定了石墨烯真正商品化的价值,而不仅仅是学术价值。

  更进一步从锂离子电池厂商的现实执行面来看,纵使石墨烯能带来莫大(博客,微博)的好处,最理想的使用方式还是能像其他原料一样,依据现有的制程条件,使用现有的制程设备,在不更动任何制程参数或设备的情况下导入石墨烯。因为任何制程的更动或设备的改变,不仅可能增加制程的变数,更直接增加产品成本,对于一个新材料而言,将大幅延长导入时程。

  综观现有的锂离子电池制程,正极材料方面普遍采用聚偏氟乙烯(PVDF)为电极活性物质黏结剂,N-甲基吡咯烷酮(NMP)则为PVDF以及混浆的溶剂;在负极方面,使用水作为黏结剂与混浆溶剂,大部分使用羧甲基纤维素(CMC)以及丁苯橡胶(SBR)为黏结剂的主成分。结合上述几项要求,若要将石墨烯顺利导入锂离子电池应用,最佳方案是将石墨烯预先均匀分散在NMP与水的溶剂中,且最好不要使用现有成分以外的材料作为添加剂。在这个前提下,若能进一步提供浓缩分散溶液,更可以进一步降低运输成本。图3为石墨烯应用于锂离子电池的示意图。(责任编辑:admin)
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