最近一篇关于三星石墨烯电池文章甚嚣尘上, 其实这已经不是所谓的 '石墨烯' 电池第一次进入人们的视野了, 此前就有关于华为 '石墨烯' 电池的报道, 只不过最后都证明, 这只是借 '石墨烯' 的一场炒作, 只是资本吸引人们眼球的策略. 此次报道的三星 '石墨烯' 电池是否也是一场炒作, 还是真正意义上的 '石墨烯' 电池呢? 为此我们找到了报道中出现的三星 '石墨烯' 电池论文的原文, 为大家做解读.
这篇来自三星的文章发表在著名的期刊——NatureCommuinication上, 原文的题目如上图所示, 该文的题目的中文翻译为《用于快速充电和高体积能量密度锂离子电池的石墨烯球》, 从题目可以看到, 这篇文章是关于锂离子电池材料的一篇论文. 题目中提到的 '石墨烯球' 实际上是一种利用真空分解技术在SiOx颗粒的表面生长石墨烯而制成的小球, 这种 '石墨烯球' 即可以涂布在高镍正极材料表面, 抑制副反应发生, 也可以作为负极材料单独使用. 从上面的介绍可以看到, 原文中提到的根本不是所谓的全新的 '石墨烯' 电池, 而是一种采用石墨烯处理的电池材料.
虽然这不是许多媒体口中的具有颠覆意义的 '石墨烯电池' , 自然谈不上取代锂离子电池了, 但是从介绍来看, 这仍然是一种优异的锂离子电池材料, 特别是在提高锂离子电池快充性能方面, 更是具有非常明显的优势, 因此小编就带大家一起了解一下, 这样一款高性能的锂离子电池材料.
文章中的 '石墨烯球' (GB) 实际上是In Hyuk Son利用真空分解技术CVD, 以CH4为碳源, 在1000℃下与直径为20-30nm的SiO2发生反应, SiO2颗粒被还原成为SiOx, 并且颗粒表面包覆了一层石墨烯, 反应化学式如下所示.
这样一种材料, 我们首先想到的就是作为负极材料, 的确SiOx材料是目前最为成功的高容量负极材料, 但是三星的科学家却另辟蹊径, 将 '石墨烯球' 作为高镍正极材料的表面涂层材料, 涂在NCM613上. 三星这样做也有他们自己的理论: 石墨烯作为一种具有良好导电性的材料, 非常适合作为正极包覆材料, 提高导电性, 抑制副反应的发生, 但是因为石墨烯片之间强烈的静电作用力使得其很容易发生团聚, 从而导致石墨烯很难均匀的分散在正极材料的表面. '石墨烯球' 能够很好的解决这一问题, 即便是在1%的含量下也能够很好的分散在NCM613材料之中, 在NCM颗粒表面形成一层保护层, 提高材料的界面稳定性.
下图是采用 '石墨烯球' 进行包覆处理后的NCM613和没有经过包覆处理的材料的电化学性能测试结果. 从下图a和b我们可以看到, 经过 '石墨烯球' 处理后的NCM材料, 在大倍率下放电能力明显高于没有经过处理的材料, 特别时在25℃时, 这种差别更加明显. 从图c和图d中我们也可以注意到, 在4.3V, 4.4V和4.5V截止电压下, 经过包覆处理后的NCM材料 (实心球曲线) 的循环性能要明显好于对照组, 特别是在60℃高温, 这一现象更加明显, 这主要是因为均匀的 '石墨烯球' 包覆层很好的抑制了界面副反应的发生, 从而阻止了NCM材料从 '层状结构' 向 '岩盐结构' 衰变, 提高了NCM材料的循环性能.
同时得益于 '石墨烯球' 良好的导电性, 使得我们可以降低NCM电极中导电剂SP的用量, 将活性物质的比例从92%提高到97%, 这也极大的提高了NCM电极的体积比容量, 从而提高了锂离子电池的体积能量密度.
除了作为NCM材料的涂层外, '石墨烯球' GB还能够单独作为一种负极材料使用, 与GB-NCM (石墨烯球包覆NCM) 使用, 从而使锂离子电池获得快速充电的能力. 作为负极材料的 '石墨烯球' 比容量可达716.2mAh/g (0.1C) , 在石墨烯良好的导电性的作用下, '石墨烯球' 具有优异的倍率性能, 在10C倍率下, 仍然能够发挥240.6mAh/g的容量, 是0.1C下容量的33.6%. '石墨烯球' 不仅具有优异的倍率性能, 在循环性能方面也表现优异, 25℃下, 5C倍率循环500次, 容量保持率可达88%, 60℃下, 5C循环500次, 容量保持率可达86.1%. 在全电池中 '石墨烯球' 也表现出了良好的循环性能, 特别是在60℃下, 没有经过处理的NMC/石墨电池容量迅速衰降, 但是GB-NCM/ GB电池则保持了良好的循环性能 (下图e) .
当然 '石墨烯球' 作为负极材料时还面临一个问题, 那就是首次库伦效率较低, 这主要是因为石墨烯较大的比表面积, 导致在低电势下副反应较多, 消耗了较多的Li+. 为了解决这一问题, In Hyuk Son在使用 '石墨烯球' 作为负极材料时, 需要首先对其进行了预锂化处理, 在目前负极预锂化技术还不成熟的前提下, 首次效率较低也是需要我们认真考虑的问题.
从上面的介绍不难看出, 所谓的三星 '石墨烯电池' 只不过是一个炒作的噱头, 其实本质上只是一种石墨烯/ SiOx复合纳米颗粒—— '石墨烯球' , 而且这种 '石墨烯球' 更加适合作为一种NCM材料的表面涂层材料, 提高NCM材料的界面稳定性, 提高循环性能; 改善NCM材料的导电性, 提高NCM的倍率性能, 同时得益于石墨烯材料良好的导电性, 能够显著的提高电极中正极活性物质的比例, 提高锂离子电池的体积能量密度.
虽然 '石墨烯球' 能够作为负极材料使用, 并且也具有优异的倍率和循环性能, 但是因为其首次效率低, 必须配合补锂工艺使用, 因此在现阶段补锂工艺还不成熟的前提下, '石墨烯球' 是否适合作为锂离子电池负极材料还值得商榷.
因此总的来说, 这个材料更应该称作是 '锂离子电池新型石墨烯添加剂' 比较合适, 而不是有的媒体所吹捧的 '石墨烯电池' .
