石墨烯电池为什么没有取代锂电池成为电动车的电池?

石墨烯电池在可预见的将来,都不太可能取代锂电池 。一方面,技术还不成熟 。另外一方面,成本还降不下来 。除此之外,在安全性,稳定性等很多方面,都还有很多工作要做 。而且,就算石墨烯电池真做出来并大规模应用了,也未必就能应用在电动车上,取代目前流行的锂电池 。核电站有很多的优点,不代表核电站就可以随便取代其他类型的发电站 。同理,石墨烯电池未必就适合在电动车上应用 。只有在适合的应用场景下,特定的技术才能发挥最大的优势 。


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1.石墨烯电池从实验室走向市场需要一个过程,而这个过程目前还没有开始

科研成果转化成市场产品需要一个过程,而且不是每一种技术都适合大规模商用 。目前来看,如果所谓石墨烯电池到底是什么也没有一个共识 。应用了一点点石墨烯作为电极材料就算石墨烯电池吗?目前市场上敢打出“石墨烯电池”这个招牌的电池,除去骗子之外,基本都是这种“掺/用了石墨烯的锂离子电池/铅酸电池” 。而想象中的全石墨烯型电池,目前的确存在,但仅仅存在于实验室而已 。还远远达不到产业化标准 。石墨烯潜在的应用场景也不仅仅是取代传统电池 。事实上,石墨烯可能会在新型柔性电池、器件、显示、催化剂等方面更有前途 。考虑到锂电池相当不错的综合表现,不错的性能,成熟的产业,较为低廉的价格,石墨烯在可预见的将来是不可能取代锂电池的 。一个技术的实际价值不仅仅取决于性能,也取决于性价比,稳定性等很多方面 。石墨烯想要有一天超过锂电池,成为最适合应用于汽车上的电池选项,必须要石墨烯在实验室表现出锂电池难以比拟的优势,随后再被各大厂商大力推广 。而目前来看,石墨烯电池还很不成熟,并没有表现出相对于锂电池的重大优势,因此,石墨烯电池连取代锂电池的可能性都不存在 。从实验室走向市场需要一个过程,对石墨烯电池而言,这个过程还没有开始 。因为,还没有找到走向市场的理由 。


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2.石墨烯技术可能会用于加强锂电池而不是取代

虽然石墨烯电池技术是一种更新,可能也更强大的技术,但是锂电池本身也是电池技术多年来的结晶 。锂电池本身有很多优点,才得以成为目前最主流的汽车电池 。石墨烯技术的确给电池技术的突破提供了一种可能性,但是,不代表石墨烯就一定可以完完全全顶替锂电池 。在未来,如果石墨烯相关的研究成熟,技术有了突破,把研究成果应用于锂电池,从而提高锂电池的性能,这个可能性也比石墨烯完全取代锂电池高得多 。任何一种材料都有其特性,石墨烯表面特性受化学状态影响巨大,稳定性,循环寿命等等都有很多问题,如果刻意追求用石墨烯替代锂电池,很有可能生产出实用性还不如锂电池的石墨烯电池 。

综上所述,一方面石墨烯电池技术还不成熟,另外一方面,石墨烯也未必是升级取代锂电池的理想选择 。因此,目前为止没有人会想要用石墨烯电池取代汽车锂电池的 。

其他网友观点

近日,菲科斯公司推出了一款石墨烯电池汽车,非常吸引眼球 。


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石墨烯电池技术汽车的出现,很大程度上会大大缓解纯电动汽车的所带来的充电时间问题以及满电状态下的行驶里程焦虑!

不过目前市面上宣称的“石墨烯电池”是一个不准确的概念,准确的讲基本上都是在材料中加入一点石墨烯,以提高锂电池的部分性能,可以叫为石墨烯基锂离子电池 。


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这一技术的最大特点就是能够大幅提高电池的热稳定性和使用寿命,要知道之前的锂电池在高温下工作不仅效率低,而且会极大地降低寿命 。


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石墨烯,是由碳原子组成的单原子层平面薄膜,是目前世界上已知的最轻薄、最坚硬的纳米材料,因为只有一层原子,电子的运动被限制在一个平面上,使石墨烯成为了世界上导电性最好的材料 。


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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 。由此可见,石墨烯在锂离子电池里面可能发挥作用的领域只有两个:直接用于负极材料和用于导电添加剂 。


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但是使用石墨烯作为导电剂成本比普通的炭黑高很多,锂电池的成本是关键的控制因素,不降低原材料的成本,即使石墨烯电学性能再好,一吨几十万的成本消耗电池厂家也用不起 。


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如果综合考量材料成本、生产工艺、加工性和电化学性能,其制造加工、应用效能等方面都问题重重 。石墨烯可以作为锂电池的调味品,但是作为主材就不太合适了 。因此,石墨烯电池替代锂电池成为电动汽车电池的可能性很小,产业化前景渺茫 。

其他网友观点我认为石墨烯或者石墨烯复合材料实在电池领域产业化前景渺茫 。主要是由于价格特别昂贵和制作工艺复杂,所以很难取代现在广泛应用的锂电池 。这个问题问的真的很专业,但是下面好多汽车达人的回答并不完全正确 。


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首先,来聊聊这个问题存在的误区 。我身边有好多课题组在做锂电和石墨烯的相关研究,为了详细的回答这个问题,今天午饭还特意跟相关领域的科研人员讨论了这个话题,现在来为大家详细的解答一下这个问题 。首先纠正一下各位汽车达人的错误之处主要在于没有对掺杂石墨烯电池和全石墨烯电池进行区分,而两者的区别无论在工艺还是价格上都是天壤之别的 。在科研界,全石墨烯电池的研究人员也并不多,至于为什么大家也不难想象了 。除了,现在的热点锂离子电池,石墨烯作为电极材料应用在储能材料上的例子比比皆是,例铝离子电池也广泛的应用了石墨烯材料(Advanced,Energy Materials, 2017, 1700051. Advanced Materials, 2017, 29, 1605958,etc),钠离子电池(Journal of Materials Chemistry,2017,3179)等等,总觉得什么材料大家都想用石墨烯掺杂一下看看性能 。以至于业界,直接将电极掺杂的石墨烯的石墨基储能材料直接统称为石墨烯电池,其实这种称谓是有一定的误导性的,因为石墨烯并未电池材料的主体 。


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什么是锂电池,其工作原理是什么?

其实经典的电化学命名规则,充电电池的命名应该是正极在前、负极在后,这样该电池体系应该命名为“氧化钻锂-石墨充电电池” 。但大家可以发现名字太难记了,由于充放电过程是通过锂离子的移动实现的,日本人便将其命名为“锂离子电池”,简称为“锂电” 。

一般来说,锂离子电池主要包括正极、负极、隔膜和电解液四个组成部分 。正极材料一般都是一些富锂的层状化合物,目前常见的商用正极材料主要有钴酸锂(LiCoO2)、锰酸锂(LiMn2O4)、磷酸铁锂(LiFePO4)以及三元材料(LiMnxCo1-x-yNiyO2)等;而负极材料则主要是一些具有嵌锂电位的单质或者化合物,大致主要可以分为碳类负极材料和非碳类负极材料;隔膜主要是用来防止正负极的直接接触而导致短路,一般为不导电的高强度薄膜化的聚烯烃多孔膜,如PP、PE、PP/PE、PP/PE/PP 等,它具有一定的孔径和孔隙率,保证低电阻和高离子电导率 。电解液是锂离子在电池正负极传输的载体,电解质溶液通常使用的电解质是LiPF6,LiClO4 等,溶剂主要有 EC、DMC、PC和ClMC等 。


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锂离子电池充电时,Li+从正极的富锂层状化合物中脱出,通过电解液,透过隔膜嵌入到负极材料中,这时负极变成了富锂状态,正极为贫锂状态;而放电的过程则相反,Li+首先从负极材料中脱出,经由电解液再返回到正极,此时电子经外电路从负极流向正极,从而使整个充放电过程中的电荷达到守恒 。由于Li+可以在正负极材料中反复地嵌入与脱出,使锂电池可以被循环使用;而且如果用一些石墨类的负极材料代替了金属锂,可以避免了锂枝晶的产生,从而提高了锂离子电池的安全性能 。下面是以LiFeO4作为锂电池正极材料,碳类材料作为负极材料时的反应方程式:


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石墨烯如何在锂离子电池上应用?

石墨烯现在已经被广泛地应用到各个领域的研究 。在锂离子电池研究领域也不例外,首先石墨烯的理论比容量比石墨更高,且锂离子在其中的扩散速率也比较快,但是其单独作为负极材料时容量衰减较快,循环性能并不是很理想 。所以,研究者更多地是将石墨烯应用到对正负极材料的改性上,也就是制备石墨烯复合材料作为电极,所以这就是我在开头说的全石墨烯电池和石墨烯电池的主要区别所在 。

主要包括以下几种:石墨烯基碳负极、石墨烯/硅负极、石墨烯/金属氧化物负极、石墨稀/硫正极等 。

石墨烯基锂电池应用前景

我认为石墨烯材料这个泡沫现在确实被吹得太大了 。特别是在电池行业,量产,走进人们的生活的可能性微乎其微,主要原因如下:

商业化要考虑的首要问题就是成本,在锂电池中石墨烯主要起到的作用与传统碳/石墨的作用是相似的,一是导电剂,二是可能做电极嵌锂材料,但是原料价格相差成千上万倍 。

工艺繁琐,后处理污染严重,石墨烯比表面积大,受化学状态影响巨大,批次稳定性,循环寿命等众多细致因素限制,生产工艺及其复杂,而且石墨烯生产需要用到大量的硫酸,后处理也很麻烦 。

石墨烯是可以做导电剂促进快充放,虽然理论上可以提高倍率性能,但是如果分散工艺不到位混料不均,可能性质反倒下降,得不偿失 。

【石墨烯电池为什么没有取代锂电池成为电动车的电池?】所以,石墨烯掺杂锂离子电池目前还无法广泛的应用,且由于工艺和成本等原因应用前景堪忧,更别提全石墨烯电池了 。

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