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作为正极材料要求大容量及优异的循环特性,为使电池能够急遽充放电,可采用提高活性物质的电子传导性、离子传导性及缩短传导距离的方法来进行。Zhou(2011)利用石墨烯添加在LiFePO4/C复合材料,亦即将磷酸锂铁正极材料放入氧化石墨烯溶液,再搭配喷沫造粒合成出微米级的二次粒子,从微观角度观察石墨烯均匀披覆在磷酸锂铁材料的表面,从电性的比较结果显示在循环寿命与快充能力(如图2所示),石墨烯的添加能显著提升磷酸锂铁正极材料的稳定性以及大电流充放电的表现。
在负极材料方面,Chou(2010)结合高电容量的納米硅负极(40nm)与具柔软特性的石墨烯以穆尔比1:1的比例进行混合,其极板之表面形貌(如图3所示),納米硅与石墨烯均匀地混合在一起,在循环寿命的表现,硅/石墨烯复合材料之循环寿命与纯納米硅相比可显著地提升,经过30个cycles仍保有1300mAh/g的电容量表现,在交流阻抗分析结果亦显示相较于納米硅,硅/石墨烯复合材料的阻抗可降低到40Ω,预期亦可提升此材料的快充特性。
在锂电池充电过程中,活性锂会在负极金属锂箔表面发生不均匀沉积,多次循环之后就会形成锂枝晶。枝晶的生长方向是不断从(电解液/电极)界面向正极延展。锂是沉积在隔膜和负极的接触部位,生长的方向是沿着从负极→隔膜→正極的走向,因此反应发生的地点是在负极与电解液的「界面」上。
以氧化石墨烯来改善隔膜的界面粗糙度,也是解决枝晶的对策之一。正极活性材料多为过渡金属氧化物或者过渡金属磷酸盐,它们是半导体或者绝缘体,导电性较差,必须要加入导电剂来改善导电性;负极石墨材料的导电性稍好,但是在多次充放电中,石墨材料的膨胀收缩,使石墨颗粒间的接触减少,间隙增大,甚至有些脱离集电极,成为死的活性材料,不再参与电极反应,所以也需要加入导电剂保持循环过程中的负极材料导电性的稳定。以导电剂作用于LiFePO4/C材料的颗粒之间,其导电效果的好坏有很大程度决于颗粒的大小和与活性物质的接触方式。这点在选择石墨烯上只需考虑粒径大小即可。
这里各位可以看到我在四类部件上使用四种工艺,每种工艺参考相关文献都至少有一种石墨烯材料做客制化,这就是我一再鼓吹从应用技术反推石墨烯材料组合的概念,这也是使用单一工艺像氧化还原法无法进展的主要原因。
以下是笔者对石墨烯应用在能源的看法:
第一,石墨烯作为重要的新材料,在智能手机、新型显示、锂离子电池、太阳能光伏等电子信息行业多个重要领域应用前景广阔,当前石墨烯材料仍处于产业化应用初期,在上述领域大规模应用仍需开展大量工作。
第二,石墨烯材料在新一代信息技术产业的大规模应用,应与下游需求紧密结合,注重材料研发、产品设计、制备工艺等环节的统筹谋划,构建产业生态新模式,打造需求牵引、同步研发、紧密耦合的产业发展模式,推动石墨烯材料在新一代能源技术领域中尽早应用。
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