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定义问题:“石墨烯电池”是否存在?
此处,首先援引知乎用户@土豆泥同学的一篇关于石墨烯的文章,其中对于“石墨烯”电池的定义介绍如下:
“事实上,国际锂电学术界和产业界并没有“石墨烯电池”这个提法。维基百科里也没有发现“graphene battery”或者“graphene Li-ion battery”这两个词条的解释。根据美国Graphene-info这个比较权威的石墨烯网站的介绍,“石墨烯电池”的定义是在电极材料中添加了石墨烯材料的电池。这个解释显然是误导。
根据经典的电化学命名法,一般智能手机使用的锂离子电池应该命名为“钴酸锂-石墨电池”。之所以称为“锂离子电池”,是因为SONY在1991年将锂离子电池投放市场的时候,考虑到经典命名法太过复杂一般人记不住,并且充放电过程是通过锂离子的迁移来实现的,体系中并不含金属锂,因此就称为“Lithium ion battery”。最终“锂离子电池”这个名称被全世界广泛接受,这也体现了SONY在锂电领域的特殊贡献。
目前,几乎所有的商品锂离子电池都采用石墨类负极材料,在负极性能相似的情况下,锂离子电池的性能很大程度上取决于正极材料,所以现在锂离子电池也有按照正极来称呼的习惯。比如,磷酸铁锂电池(BYD所谓的“铁电池”不在笔者讨论范畴)、钴酸锂电池、锰酸锂电池、三元电池等,都是针对正极而言的。那么以后如果负极用硅材料会不会叫做硅电池?也许可能吧。但不管怎么样,谁起主要作用就用谁命名。”
从此文可以看出,在电池中,以主要作用的成分(磷酸铁锂锂电池)、机理(液流电池等)来命名是一般通用的规则,那么对于“石墨烯电池”呢?
所谓的“石墨烯电池”原理图,实际上并没有关于该电池反应机理的有效信息。
如果查阅百度百科“石墨烯电池”,大家会发现该词条中并没有对于该电池的反应机理的细致说明,其中主要的信息集中于石墨烯薄膜、石墨烯快充放电容器、以及2014年西班牙Graphenano的那条“电池成本下降77%,续航里程扩展至1000公里”的新闻。
但是非常遗憾的是,这些新闻都仅限于一些皮毛的报道,连电池的结构和反应机理示意图都没有,也缺乏具体的能量密度、电压、循环寿命等具体的技术参数。而对于电池工业来说,没有这些信息,报道出来的新闻缺乏最基本的可信度,虚假夸大宣传的可能性极大。近一年过去了,业界的进展情况也可以作为此类新闻“不靠谱”的佐证。
我们应该进行进一步分析,看看“石墨烯电池”这样一种技术,倒底在哪里存在问题,为什么存在问题。
“石墨烯电池”:是电池还是电容?
实际上,科研界的人对于“石墨烯电池”的相关研究已经很多。但是如果细心分析,就会发现,其实其中很大部分做的是超级电容:在此时,可以通过控制石墨烯的氧化状态等特性,利用其做成电极材料,基于其很大的比表面积的特性来实现快速的电化学反应,即大家耳熟能详的“快速充放”。类似文献有很多,这里贴一篇供参考:All-graphene-battery: bridging the gap between supercapacitors and lithium ion batteries : Scientific Reports : Nature Publishing Group
实际上,石墨烯相关的新闻里,快充放的占有大多数,但是真正敢说石墨烯电池容/能量有明显提升的却很少。这主要是因为,石墨烯的本征特性(二维纳米材料,高比表面积)决定了其在超级电容中应用的希望比在锂离子电池中要大一些。而超级电容器一般来说,功率密度高于锂离子电池可以实现快充放无误,但是其能量密度(1-20Wh/kg)远低于一般锂离子电池(100-220Wh/kg),通俗的说就是如果你用超级电容做电动汽车,充电很快,但是一次充电跑不远,续航里程会非常糟糕。
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