| 2015年11月下旬，某通信設備企業(yè)高調發(fā)表了其最新產(chǎn)品。該產(chǎn)品采用石墨烯作為電池材料，可大大縮短充電時(shí)間，提高電池的充電容量。這份報道一舉引發(fā)眾人的矚目，并將社會(huì )對石墨烯的關(guān)注程度提高到新的高度。
一、石墨烯是什么？
從百度百科中，我們可以知道：
1. 石墨烯(Graphene)是從石墨材料中剝離出來(lái)、由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體。
2. 石墨烯既是最薄的材料，也是最強韌的材料，斷裂強度比最好的鋼材還要高200倍。同時(shí)它又有很好的彈性，拉伸幅度能達到自身尺寸的20%。它是目前自然界最薄、強度最高的材料。
3. 石墨烯是目前發(fā)現的最薄、強度最大、導電導熱性能最強的一種新型納米材料，石墨烯被稱(chēng)為“黑金”。
一句話(huà)，石墨烯是一種納米數量級的材料，具有高強度、高彈性和高導電性等性質(zhì)。
作為一種納米材料，石墨烯給人的最初印象是，它可能成為一種制造太空電梯材料的候補。即使在百度百科中，石墨烯的電學(xué)性能也僅僅占其性能的一部分。如果不是在第三點(diǎn)中“順便”提了一下其高導電性的話(huà)，僅從定義中很難找到石墨烯和電池的關(guān)系。
不過(guò)，納米材料是人類(lèi)沒(méi)有涉及到的一類(lèi)世界，我們從宏觀(guān)世界中所得到的種種“常識”，在微觀(guān)世界里并不能很好地再現。
如果說(shuō)，納米數量級的石墨烯能夠對提高電池的性能有什么幫助的話(huà)，需要從電池的原理上進(jìn)行分析。
二、電極材料與電池容量的關(guān)系
我們知道：從微觀(guān)的角度看蓄電池的充放電過(guò)程，實(shí)際上是一個(gè)陽(yáng)離子在電極中“鑲嵌”和“脫離”的過(guò)程。所以，如果電極材料中的孔洞越多，則這個(gè)過(guò)程進(jìn)行的越迅速。在宏觀(guān)的角度看則表現為蓄電池充放電的速度越快。
石墨烯的微觀(guān)構造，是一個(gè)由碳原子所組成的網(wǎng)狀結構。因為具有極限的薄度(只有一層原子的厚度)，所以陽(yáng)離子的移動(dòng)所受限制很小。同時(shí)正因為具有網(wǎng)狀結構，由石墨烯所制成的電極材料也擁有充分的孔洞。
從這個(gè)方面看，石墨烯無(wú)疑是一種非常理想的電極材料。
據位于美國紐約州的倫斯勒理工學(xué)院(RPI，Rensselaer Polytechnic Institute)的研究者的研究表明：使用石墨烯作為電池的樣機材料，其充放電速度將超過(guò)鋰離子蓄電池的10倍。
三、石墨烯研究的現狀
美國普渡大學(xué)(Purdue University)正在研究通過(guò)新的、更加簡(jiǎn)單的方式制造納米電極材料的工藝。該大學(xué)的研究表明，在電池中使用納米材料，將會(huì )增加電池的充電容量和充放電速度。
目前，韓國的三星電子也在從事旨在硅表面添加石墨烯涂層的硅基陽(yáng)極物質(zhì)的研究。如果該研究能夠取得成功，鋰離子蓄電池的壽命將會(huì )提高到2倍以上。
該研究綜合了硅基材料壽命長(cháng)和石墨烯材料充電容量大的優(yōu)點(diǎn)，重點(diǎn)解決如何在硅基材料上建立石墨烯涂層的工藝化問(wèn)題。
三星的研究人員通過(guò)在碳化硅電極的表面涂布石墨烯涂層，有效地擴展了陽(yáng)極的表面積。同時(shí)與陰極所使用的鋰鈷氧化物進(jìn)行組合，使電池的充電電源的單位體積能量密度油料較大的提高，其壽命也增加到母線(xiàn)市場(chǎng)銷(xiāo)售的鋰離子蓄電池的1.5-1.8倍。
2015年9月2日，據日本的科學(xué)技術(shù)振興機構(JST)與日本東北大學(xué)的原子分子材料科學(xué)高等研究機構(AIMR)發(fā)表，在作為下一代蓄電池而被熱切期待的鋰空氣電池中，通過(guò)使用具備三維構造的多孔材質(zhì)石墨烯作為陽(yáng)極材料，獲得了較高的能量利用效率和100次以上的充放電性能。如果電動(dòng)車(chē)使用這種新型電池，則巡航里程將從目前的200公里左右增加到500-600公里左右。
鋰空氣電池是一種用鋰作陽(yáng)極，以空氣中的氧氣作為陰極反應物的電池。其陽(yáng)極通過(guò)金屬鋰與空氣中的氧氣發(fā)生氧化方應生成過(guò)氧化鋰而放電，并通過(guò)過(guò)氧化鋰分解成鋰與氧氣而充電。
鋰空氣電池與目前所使用的鋰離子蓄電池相比，其充電容量將增加5-8倍。因此，被認為是接替鋰離子蓄電池的下一代蓄電池。但是，鋰空氣電池在能量利用效率與充放電重復性能方面仍然存在著(zhù)很多的問(wèn)題。
從原理上講，鋰空氣電池的充放電過(guò)程，是一個(gè)金屬鋰與空氣在由固體、液體以及氣體所構成的三相界面上進(jìn)行電子的交換過(guò)程。如何能夠有效地將液體與氣體進(jìn)行混合，并有效地進(jìn)行氧化鋰離子和還原過(guò)氧化鋰離子是個(gè)關(guān)鍵。
為解決這個(gè)問(wèn)題，研究小組使用了多孔體的陽(yáng)極材料。即使用了滲氮多孔石墨烯，在其上吸附二氧化釕(RuO2)作為反應催化劑的材料結構。
這種納米級多孔石墨烯材料，帶有100-300納米的微細孔洞，通過(guò)這些微細孔洞中，可圓滑地傳送鋰離子、氧氣以及電解質(zhì)。并能夠儲藏在放電反應中生成的過(guò)氧化鋰離子。同時(shí)，因為這種結構具有較大的表面積，所以兼具促進(jìn)充電時(shí)所以進(jìn)行的過(guò)氧化鋰離子的分解反應的效果。
研究小組通過(guò)掃描電鏡(SEM)的檢查發(fā)現：經(jīng)納米多孔石墨烯電極的充電前后狀態(tài)對比，充電前在多孔石墨烯孔洞中存在的過(guò)氧化鋰離子，在充電后已經(jīng)消失；而經(jīng)過(guò)放電過(guò)程后，多空石墨烯孔洞中復又充滿(mǎn)了過(guò)氧化鋰離子。
另外，經(jīng)穿透電鏡(TEM)對經(jīng)過(guò)50次充放電后二氧化釕納米粒子的狀態(tài)觀(guān)察，沒(méi)有發(fā)現離子尺寸的變化，由此得知多次重復充放電過(guò)程并不會(huì )帶來(lái)催化劑的劣化。
四、展望
如前所述，石墨烯是一種比較理想的蓄電池電極材料。如果電池技術(shù)中能夠使用到石墨烯這種納米材料，將會(huì )從根本上改變電池的性能，進(jìn)而使目前只能局限于城市內部交通的電動(dòng)車(chē)，成為與內燃機車(chē)并駕齊驅的交通工具。
但是，我們應該認識到：關(guān)于石墨烯技術(shù)，目前仍然處于實(shí)驗室的理論研究階段。與實(shí)際應用仍然間隔著(zhù)千山萬(wàn)水。
我們知道，某項技術(shù)在實(shí)驗室中被證明是可行的，并不意味著(zhù)該技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用階段。實(shí)驗室中技術(shù)的實(shí)現方法，與工業(yè)生產(chǎn)中的實(shí)現方法完全是兩種境界的事物。
比如，同樣是制取氧氣，在實(shí)驗室中可以通過(guò)加熱高錳酸鉀來(lái)實(shí)現；而在工業(yè)生產(chǎn)中，則是通過(guò)液化空氣來(lái)實(shí)現的。
實(shí)驗室制氧是通過(guò)化學(xué)反應；工業(yè)制氧是物理反應。同樣獲得氧氣，兩者采用的是完全不同的原理。
實(shí)驗室中即使能夠制取出石墨烯，也并不意味著(zhù)石墨烯技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入我們的生活，更不能認為使用石墨烯作為電極材料的蓄電池已經(jīng)可以進(jìn)行量產(chǎn)。
在實(shí)驗室里得到的成果，僅僅是證明了某種物質(zhì)能夠實(shí)現某個(gè)目標，在原理上可行。與正式的大規模工業(yè)化量產(chǎn)仍然相距甚遠。
一般來(lái)說(shuō)，某項技術(shù)在實(shí)驗室取得成果后，在不考慮各種行政部門(mén)的審批以及資金支持的前提下，至少需要以下的幾個(gè)步驟才能真正進(jìn)入生產(chǎn)環(huán)節：
1. 小規模生產(chǎn)實(shí)驗
研究提高生產(chǎn)出實(shí)驗室同樣結果的更加有效的方法；
2. 中規模生產(chǎn)實(shí)驗
研究利用工業(yè)化產(chǎn)能及現有工業(yè)生產(chǎn)資源(包括自然資源及工業(yè)制品)進(jìn)行生產(chǎn)的可能性。同時(shí)，解決在小型化生產(chǎn)實(shí)驗中所沒(méi)有暴露出來(lái)的問(wèn)題。
在產(chǎn)品量產(chǎn)化之前，這一步驟很重要，需要解決的問(wèn)題也非常多。因為往往在小規模的情況下，很多并不很?chē)乐氐膯?wèn)題在規模擴大的情況下，變得很突出。比如，在實(shí)驗室中幾乎不需要考慮生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的污染、腐蝕及廢棄物排放問(wèn)題；
3. 大規模生產(chǎn)的工藝設計
總結中型化生產(chǎn)實(shí)驗的結果，進(jìn)行大規模生產(chǎn)的工藝設計，生產(chǎn)流水線(xiàn)以及各步驟的工藝要求，質(zhì)量檢驗系統，降低成本等等。
從實(shí)驗室成果轉化為工業(yè)化產(chǎn)品的周期非常長(cháng)。如果想趕時(shí)間，在某一步驟沒(méi)能得到妥善解決的情況下就貿然進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)，就會(huì )為后面的量產(chǎn)帶來(lái)隱患，甚至無(wú)法實(shí)現量產(chǎn)。
作為其實(shí)例：豐田公司生產(chǎn)的燃料電池車(chē)，恐怕就是因為上述(2)和(3)步驟的問(wèn)題，而導致產(chǎn)品的產(chǎn)量極低(2015年產(chǎn)量為700臺，即3臺/工作日)。這個(gè)產(chǎn)量相當于著(zhù)名跑車(chē)——法拉利產(chǎn)量(7，000臺/年)的1/10。
對于媒體所報道的關(guān)于石墨烯電池研究有了新的進(jìn)展的消息，確認令人非常振奮！但是，即使該報道內容準確，研究也處于最理想的狀態(tài)下，我們能真正享受到石墨烯帶給我們的種種便利，也需要一個(gè)漫長(cháng)的等待時(shí)間。
?歡迎進(jìn)入【粉體論壇】
更多精彩！歡迎掃描下方二維碼關(guān)注中國粉體技術(shù)網(wǎng)官方微信（bjyyxtech）
|
