最近一篇關於三星石墨烯電池文章甚囂塵上, 其實這已經不是所謂的 '石墨烯' 電池第一次進入人們的視野了, 此前就有關於華為 '石墨烯' 電池的報道, 只不過最後都證明, 這隻是借 '石墨烯' 的一場炒作, 只是資本吸引人們眼球的策略. 此次報道的三星 '石墨烯' 電池是否也是一場炒作, 還是真正意義上的 '石墨烯' 電池呢? 為此我們找到了報道中出現的三星 '石墨烯' 電池論文的原文, 為大家做解讀.
這篇來自三星的文章發表在著名的期刊——NatureCommuinication上, 原文的題目如上圖所示, 該文的題目的中文翻譯為《用於快速充電和高體積能量密度鋰離子電池的石墨烯球》, 從題目可以看到, 這篇文章是關於鋰離子電池材料的一篇論文. 題目中提到的 '石墨烯球' 實際上是一種利用真空分解技術在SiOx顆粒的表面生長石墨烯而製成的小球, 這種 '石墨烯球' 即可以塗布在高鎳正極材料表面, 抑制副反應發生, 也可以作為負極材料單獨使用. 從上面的介紹可以看到, 原文中提到的根本不是所謂的全新的 '石墨烯' 電池, 而是一種採用石墨烯處理的電池材料.
雖然這不是許多媒體口中的具有顛覆意義的 '石墨烯電池' , 自然談不上取代鋰離子電池了, 但是從介紹來看, 這仍然是一種優異的鋰離子電池材料, 特別是在提高鋰離子電池快充性能方面, 更是具有非常明顯的優勢, 因此小編就帶大家一起了解一下, 這樣一款高性能的鋰離子電池材料.
文章中的 '石墨烯球' (GB) 實際上是In Hyuk Son利用真空分解技術CVD, 以CH4為碳源, 在1000℃下與直徑為20-30nm的SiO2發生反應, SiO2顆粒被還原成為SiOx, 並且顆粒表麵包覆了一層石墨烯, 反應化學式如下所示.
這樣一種材料, 我們首先想到的就是作為負極材料, 的確SiOx材料是目前最為成功的高容量負極材料, 但是三星的科學家卻另闢蹊徑, 將 '石墨烯球' 作為高鎳正極材料的表面塗層材料, 塗在NCM613上. 三星這樣做也有他們自己的理論: 石墨烯作為一種具有良好導電性的材料, 非常適合作為正極包覆材料, 提高導電性, 抑制副反應的發生, 但是因為石墨烯片之間強烈的靜電作用力使得其很容易發生團聚, 從而導致石墨烯很難均勻的分散在正極材料的表面. '石墨烯球' 能夠很好的解決這一問題, 即便是在1%的含量下也能夠很好的分散在NCM613材料之中, 在NCM顆粒表面形成一層保護層, 提高材料的界面穩定性.
下圖是採用 '石墨烯球' 進行包覆處理後的NCM613和沒有經過包覆處理的材料的電化學性能測試結果. 從下圖a和b我們可以看到, 經過 '石墨烯球' 處理後的NCM材料, 在大倍率下放電能力明顯高於沒有經過處理的材料, 特別時在25℃時, 這種差別更加明顯. 從圖c和圖d中我們也可以注意到, 在4.3V, 4.4V和4.5V截止電壓下, 經過包覆處理後的NCM材料 (實心球曲線) 的迴圈性能要明顯好於對照組, 特別是在60℃高溫, 這一現象更加明顯, 這主要是因為均勻的 '石墨烯球' 包覆層很好的抑制了界面副反應的發生, 從而阻止了NCM材料從 '層狀結構' 向 '岩鹽結構' 衰變, 提高了NCM材料的迴圈性能.
同時得益於 '石墨烯球' 良好的導電性, 使得我們可以降低NCM電極中導電劑SP的用量, 將活性物質的比例從92%提高到97%, 這也極大的提高了NCM電極的體積比容量, 從而提高了鋰離子電池的體積能量密度.
除了作為NCM材料的塗層外, '石墨烯球' GB還能夠單獨作為一種負極材料使用, 與GB-NCM (石墨烯球包覆NCM) 使用, 從而使鋰離子電池獲得快速充電的能力. 作為負極材料的 '石墨烯球' 比容量可達716.2mAh/g (0.1C) , 在石墨烯良好的導電性的作用下, '石墨烯球' 具有優異的倍率性能, 在10C倍率下, 仍然能夠發揮240.6mAh/g的容量, 是0.1C下容量的33.6%. '石墨烯球' 不僅具有優異的倍率性能, 在迴圈性能方面也表現優異, 25℃下, 5C倍率迴圈500次, 容量保持率可達88%, 60℃下, 5C迴圈500次, 容量保持率可達86.1%. 在全電池中 '石墨烯球' 也表現出了良好的迴圈性能, 特別是在60℃下, 沒有經過處理的NMC/石墨電池容量迅速衰降, 但是GB-NCM/ GB電池則保持了良好的迴圈性能 (下圖e) .
當然 '石墨烯球' 作為負極材料時還面臨一個問題, 那就是首次庫倫效率較低, 這主要是因為石墨烯較大的比表面積, 導致在低電勢下副反應較多, 消耗了較多的Li+. 為了解決這一問題, In Hyuk Son在使用 '石墨烯球' 作為負極材料時, 需要首先對其進行了預鋰化處理, 在目前負極預鋰化技術還不成熟的前提下, 首次效率較低也是需要我們認真考慮的問題.
從上面的介紹不難看出, 所謂的三星 '石墨烯電池' 只不過是一個炒作的噱頭, 其實本質上只是一種石墨烯/ SiOx複合納米顆粒—— '石墨烯球' , 而且這種 '石墨烯球' 更加適合作為一種NCM材料的表面塗層材料, 提高NCM材料的界面穩定性, 提高迴圈性能; 改善NCM材料的導電性, 提高NCM的倍率性能, 同時得益於石墨烯材料良好的導電性, 能夠顯著的提高電極中正極活性物質的比例, 提高鋰離子電池的體積能量密度.
雖然 '石墨烯球' 能夠作為負極材料使用, 並且也具有優異的倍率和迴圈性能, 但是因為其首次效率低, 必須配合補鋰工藝使用, 因此在現階段補鋰工藝還不成熟的前提下, '石墨烯球' 是否適合作為鋰離子電池負極材料還值得商榷.
因此總的來說, 這個材料更應該稱作是 '鋰離子電池新型石墨烯添加劑' 比較合適, 而不是有的媒體所吹捧的 '石墨烯電池' .
