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石墨烯应用七大杀手锏之——电池正、负极材料!
更新时间:2017-12-15 浏览数:

 2017-12-15  石墨烯资讯

小烯导读

随着研究的不断发展,高性能锂电电极材料层出不穷。实际应用中,所制备材料性能无法完全发挥是制约其实现高能量密度、高功率密度的关键。石墨烯的高导电性、高导热性、高比表面积、等诸多优良特性,一定程度上对解决该问题有着非常重要的理论和工程价值。


2015年11月30日,工信部、发改委、科技部联合印发《关于加快石墨烯产业创新发展的若干意见》。意见指出,要把石墨烯产业打造成先导产业,到2018年,实现石墨烯材料稳定生产;到2020年,实现石墨烯材料标准化,形成若干家具有核心竞争力的石墨烯企业。


2017年5月北京石墨烯产业创新中心成立之时,提出了突破石墨烯应用材料复合化共性技术,实现现有材料升级换代,获得7个以上国际领先的石墨烯杀手锏应用。近期我们将对七大应用现状一一报道 。

石墨烯基电池正、负极材料及其优点

石墨烯具有独立的二维结构、优异的性能和各种潜在的应用价值,是当前材料科学领域研究的热点,石墨烯基纳米材料是一种很有吸引力的锂离子电池电极材料,尤其针对高能量密度与高功率密度电池。石墨烯基电池,利用锂离子在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性,开发出的一种新能源电池。石墨烯是近年来研究较多的一种新型材料,具有良好的导电性能和倍率性能,在锂离子电池正极材料和负极材料领域极具应用潜力。

石墨烯基正极材料

在正极复合材料中,石墨烯二维高比表面积的特殊结构及其优异的电子传输能力,能有效改善正极材料的导电性能,提高锂离子的扩散传输能力。而石墨烯在正极材料中的应用主要是与正极活性物质复合,以进一步提高其性能,诸如此类的研究很多。

石墨烯基负极材料

石墨烯负极材料能够提高锂电池理论比容量和倍率性能。负极材料方面,纯石墨烯材料由于首次循环库仑效率低、充放电平台较高以及循环稳定性较差,并不能取代目前商用的碳材料直接作为锂离子电池负极材料使用。但石墨烯可以作为一种优异的基体材料在锂电池复合电极材料中发挥更大的作用。将石墨烯与天然石墨、碳纳米管、富勒烯等碳材料复合,能利用石墨烯的特殊片层结构,改善材料的力学性能和电子传输能力。同时,掺杂后的石墨烯片层间距增大,提供更多的储锂空间。


石墨烯在电池领域的应用形式主要有三种:一是直接作为正/负极材料;二是作为导电添加剂,添加到正/负极电极材料中,或对电极材料进行复合改性处理,提高电极导电性和充放电倍率;三是作为集流体或集流体涂层,用于提高电池功率特性。

中科院宁波材料所动力锂电池工程实验室高级工程师薛业建告诉记者,他们采用石墨烯复合锰基氧化物催化剂以及新型石墨烯基高效空气阴极将单体电池功率密度提高25%,大幅度提升了金属空气电池综合性能。


研究团队正在积极设计开发用于通讯基站备用电源和电动汽车增程器的5kW级大功率铝空气电池系统。此外,宁波材料所已投入300万元购置的非标准生产线——中试实验线,于2017年8月底建成。这条生产线可年产金属空气电池阴极3.5万片,“超能电池”未来可批量生产上市。

石墨烯基正、负极材料发展前景

近年来,随着新能源汽车和移动通讯设备的发展,利用石墨烯改进、提升动力、储能电池材料的性能,因延长续航里程、电池寿命、同时缩短充放电时间,正成为业内关注的焦点。被认为是新能源汽车电池的突破口。据统计,2014年我国新能源汽车产量是7.48万辆,2015年增长到30万辆,预计2020年将会达200万辆。

石墨烯基正、负极材料相关企业

中国航发北京航空材料研究院

航材院自制石墨烯粉体,将石墨烯作为关键电极材料应用于锂离子电池,充分利用石墨烯优异的导电性和导热性,使锂离子电池内阻、工作温升大幅降低,从而实现了快速充放电和长寿命的兼得。此新型石墨烯锂离子电池充电时间仅为普通锂离子电池的十分之一,但使用寿命却是普通锂离子电池的5倍,并且有效抑制了发热问题。如果采用此种石墨烯锂离子电池,普通手机仅用10分钟即可充满。该新型石墨烯锂离子电池将在汽车、航空、通讯等领域具有重要的市场前景。


珠海聚碳

石墨烯聚碳电池,可用10C的大电流充电,单块充满电只要6分钟,上百块串联在一起充电,10分钟可达95%以上。其功率密度高,能达到达 200~1000W/KG,相当于目前锂电池的3倍以上,也就是说续航里程能够达到目前使用一般电池组电动车的3倍左右。该款电池的储能量是传统电池产品的三倍,充电次数可达3000次以上,电池的重量不足传统充电电池的一半,续航里程 1000公里,能实现900秒极速满电。这款石墨烯基锂离子移动电源还兼具安全性高、使用寿命长等优点,成为能够兼顾便捷和安心的移动电源。


奥冠新能源

 2017年6月30日,山东奥冠新能源科技有限公司和青岛华高墨稀科技股份有限公司在德州联合发布“石墨烯超级动力电池”,并就共建“石墨烯电池工程技术中心”签约合作,双方将进一步推进石墨烯电池的研发速度和深度,在电池充电时间和使用寿命方面再做突破。

高性能石墨烯锂电池由动力电池和储能电池构成,以石墨烯作为电池负极材料添加剂,显著提高了电池容量、高倍率充放电等性能,较普通动力锂电池整体性能有明显提升。电池循环寿命达2500次以上,高于市场上的锂离子电动汽车1500次左右的循环寿命。

奥冠新能源与华高墨烯研发的这款电池在保证安全稳定无污染的基础上,力争将原有充电时间缩短一半以上,电池的使用寿命提高一倍。除此之外,加入石墨烯后,电池在短时间充电、改善低温性能、增加续航里程等方面也有很大性能提升。

“德州新能源电动车产业发展迅速,电机、电控、电池等核心零部件企业逐步集聚,占车辆三分之一成本的电池,需求量极大。”徐风静说,高性能石墨烯锂电池问世是行业内的重大突破,可以满足今后的发展需求,为石墨烯材料的应用产业化走出了一条康庄大道。

 

重庆鲁岳实业新能源科技公司

由重庆鲁岳实业和旗下新能源科技公司共同出资,主要建设总产能约为1亿安时的电池生产线2条,年产能力约为9亿安时的石墨烯基锂离子动力/储能电池和石墨烯三元锂离子的动力电池生产线18条。项目将按照三期规划进行建设,达产后将实现年产10亿安时的动力电池,预计实现年产值65亿元。目前,由该公司生产的石墨烯基锂离子电池已经在“panda”新能源汽车上得到应用。

 

佛塑科技

2016年3月1日,公司与上硅所签署了《石墨烯在动力锂离子电池中的应用研究及产业化合作框架协议》。双方共同成立石墨烯动力锂离子电池研发中心,致力于石墨烯在动力锂离子电池及高分子膜材料的应用研究及产业化工作,重点攻克石墨烯宏量制备、石墨烯在锂电池中的使用、技术与产品转化方面等关键问题,为公司发展新能源及新能源业务提供技术创新支持。

目前研发中心基于上硅所开发出的低缺陷、高分散石墨烯量产技术,针对石墨烯在动力电池中面临的产业化应用难题,在石墨烯基动力电池研发上取得了进展,已研制出新型高导电石墨烯-碳纳米管复合导电剂浆料。浆料分散性好,能应用于磷酸铁锂动力电池。设计开发出高功率长寿命石墨烯基磷酸铁锂动力电池和新型高功率石墨烯基锂离子电池样本,目前项目正在建设锂电池中试生产线。公司还开展了石墨烯在高分子材料的应用研究,如利用乙二醇石墨烯悬浮液进行PET合成等实验。

结语

石墨烯基电池的问世让人们对石墨烯应用在电动汽车上充满了期待。石墨烯基电池容量大、导电性好、充电速度快、可以降低车身重量,是电动汽车的完美解决方案。石墨烯在动力电池上的应用,要以市场需求为牵引,聚焦、破解关键技术和突出问题;聚集产、学、研、用等创新要素,搭建更宽广的全产业链发展和创新平台;并积极与新能源整车企业开展合作。在电动物流车、运输车、出租车及其他专用车的电池配套产品开发、市场开拓、资本合作等方面,实现强强联合,助推石墨烯材料在新能源领域的应用。


本文来源:北京科学技术情报研究所,作者:崔银芳

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