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亚博app_【干货】石墨烯在锂电池中担任什么角色?

2021-08-25 来源:亚博APP
  • 本文摘要:石墨烯的性能出色毋庸置疑,但是它否就一定合适用作锂离子电池呢?

    石墨烯的性能出色毋庸置疑,但是它否就一定合适用作锂离子电池呢?目前市面上声称的“石墨烯电池”是一个不精确的概念,精确的讲基本上都是在材料中重新加入一点石墨烯,以提升锂电池的部分性能,可以称作石墨烯恩锂离子电池。不回避实验室内有石墨烯作为负极材料制作锂电池或超级电容器,但是拒绝较为低。综上,石墨烯可以作为锂电池的调味品,但是作为主材就不过于适合了。

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    1.石墨烯的结构和性质物理结构:石墨烯,是由碳原子构成的单原子层平面薄膜,厚度仅有为0.34纳米,单层厚度相等于头发丝直径的十五万分之一。是目前世界上未知的最轻巧、最柔软的纳米材料,透光性好,能拉链。因为只有一层原子,电子的运动被容许在一个平面上,石墨烯也具有全新的电学属性。石墨烯比表面积大约为2630m2/g,热导率为5000W/m;k。

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    电学特性:石墨烯具备独有的载流子特性和无质量的狄拉克费米子属性。其电子迁移率可超过2×105cm2/Vt;s,大约为硅中电子迁移率的140倍,砷化镓的20倍,温度稳定性低,电导率平均108Ω/m,面电阻大约为31Ω/sq(310Ω/m2),比铜或银更加较低,是室温下导电最差的材料。另外,石墨烯中电子载体和空穴载流子的半整数量子霍尔效应可以通过电场起到转变化学势而被仔细观察到,而Novoselov等在室温条件下就仔细观察到了石墨烯的这种量子霍尔效应。

    2.石墨烯在锂电池中的角色正是由于石墨烯有以上的纳米尺寸效应、具备很大的比表面积、较好的导电性以及杰出的机械性能等特性,石墨烯被世界各地科学家普遍研究,并生产出有了“石墨烯锂电池”这样的概念,石墨烯是以什么角色参予到锂电池中的呢?1)负极材料石墨烯由于其独有的二维结构、出色的电子传输能力以及超大的比表面积等优势近于有潜力替代石墨沦为新一代锂离子电池负极材料。石墨烯的贮锂机制与其他碳材料相近,电池时锂离子从负极瞬经过电解质映射碳材料层间构成构成Li2C6,静电时锂离子瞬回到负极。由于石墨烯的类似二维结构,当其片层间距小于0.7nm时,石墨烯的两面都可以存储锂离子,同时由于石墨烯有褶皱不存在也可以展开遗锂,所以理论上其容量有可能是石墨的两倍,低于744mAh/g。

    另外,石墨烯多为微纳米尺寸,近大于体互为石墨,使得Li离子的蔓延路径变长,石墨烯的层间距一般来说也相比之下小于石墨,也为锂离子的传输获取了更加多的地下通道。因此较之石墨,以石墨烯为负极更加不利于提升电池性能。从石墨烯电池的概念明确提出以来,很多学术研究成果指出石墨烯锂电池共轭容量平均500mAh/g以上,以及具备出众的倍率性能。

    实验室条件下制取的锂电负极多使用CVD法、水合肼还原成、真空抽滤和冷冻干燥法等等制取石墨烯,或为片状或为空心球状,各不相同。2)石墨烯作为导电剂导电剂的首要起到是提升电子电导率,由于电解液是离子导电的,而电子是无法传导的,故导电剂是增进电子较慢穿越活物质抵达集流体。另外,导电剂也可以提升极片加工性,增进电解液对极片的增生,减少电阻率,从而提升锂电池的使用寿命。目前常用的导电剂有SP、乙炔白等,传统炭黑为球状,将其与活物质混合时更容易互相混合均匀分布,但是其认识形式为点点认识,容许了导电起到的充分发挥,减少了导电剂加到量。

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    而是石墨烯是片状结构,与活性物质的认识为点-面认识,可以最大化的充分发挥导电剂等起到,增加导电剂的用量,从而可以多用于活性物质,提高锂电池容量。但是石墨烯的片状也是它的弊端所在,片状的石墨烯在溶剂中更加无以集中,更加不易一家人在一起,终究必须减少石墨烯的用量。同时,其片状结构有利于锂离子的蔓延,导致电芯内阻减小,电池过热减缓。理论上,石墨烯的超快导电性需要提升电池的倍率性能,但是事实是石墨烯的单片层结果妨碍了锂离子的蔓延,特别是在是在大倍率充放电时电池内部极化减轻,电池静电容量减少。

    涉及研究指出,在较低倍率静电条件下,用石墨烯部分替代导电炭黑需要一定程度上减少导电剂用量,提升电池能量密度,过犹不及。


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