鋰離子電池正極材料:石墨和石墨烯

石墨

據媒體估計，今年隨著電動汽車的快速發展，鋰離子電池需求激增，將帶動石墨行業下行。雖然石墨價格和銷量還沒有回升，但投機者對石墨需求收緊的前景仍持樂觀態度。

石墨是碳的同素異形體，兩者密切相關。同素異形體是由同一元素構成的不同結構的基本元素。石墨是最穩定的碳。鉆石是碳的亞穩態同素異形體。雖然它比石墨(自然界最堅硬的物質)硬得多，但卻不如石墨穩定。

石墨一詞來源于希臘語graphein，它耐高溫、耐腐蝕、導電性好、導熱性好、化學功能穩定，加起來比鋁輕。除了用于鋰離子電池的陰極數據，高質量石墨還可用于燃料動力電池、太陽能電池、半導體、發光二極管和核反應堆。

碳纖維是由碳原子結合在一起的微晶材料。它的直徑只有5-10米，大約是人類頭發直徑的十分之一，但它的強度非常高。碳碳鍵沿著聚合物基體形成鍵，就像織布相同。碳纖維比鋼強，但比鋼輕。碳纖維用于高爾夫球桿、自行車車架，并有望取代鋁用于汽車和飛機的結構框架，如波音787和空客350X。

如今，石墨只占全球電池需求的5%。石墨有兩種來源:一種是天然礦石，另一種是煤焦油的成分。用于鋰離子電池的石墨材料通常是由55%的石墨和45%的低純度天然石墨混合而成。

制造商曾經偏愛石墨的成分，因為它比天然石墨更均勻、更純凈。然而，今天，使用現代化學方法凈化天然石墨，使其熱處理達到99.9%的純度，比99%純度的組成石墨更受歡迎。

與組成石墨相比，純化的天然鱗片石墨的結晶度更高，電導率和導熱性更好。此外，天然石墨有望降低鋰離子電池的生產成本，使電池性能達到或更好。用于鋰離子電池的石墨現在每噸售價為1萬美元，而由天然石墨薄片制成的球形石墨每噸售價僅為7000美元(2015年的價格)，天然石墨原料甚至更便宜。

可以預計的是，石墨最終會被天然石墨所取代，在未來，天然石墨更便宜，更環保。石墨烯是由天然石墨制成的，是科學家為我們描繪的另一幅藍圖。

石墨烯

石墨烯是另一個碳的同素異形體,是一種薄膜的六角形晶格結構,只有一個碳原子層厚度、靈活性的特點,透明、防水和強大的比鉆石更簡單的比黃金導電,在每個碳原子有三個電子,電子,與最近鄰原子形成化學鍵。專家認為石墨烯是一種神奇的材料，可以用于許多產品，包括電池。

作為鋰離子電池的陰極數據時，石墨烯的電化學儲能優于石墨，充電速度是石墨的10倍，有望實現快速充電。此外，鋰離子電池的負載能力也將得到提高。

關于傳統的石墨陰極，鋰離子沉積在表面形成樹突。石墨烯完美地解決了這一問題，允許鋰離子通過表面10-20nm處的小孔，并在石墨烯片之間很好地存儲，從而實現快速充電和最佳儲能。一旦投入使用，這種電池估計可以儲存10倍于普通石墨陰極的能量。

石墨烯還可以摻入氧化釩中，改善正電極數據的電化學性能。實驗研究表明，改進型正數據電池可在20秒內充滿電，經過1000次循環后，容量持續率可達90%。石墨烯還被用于超級電容器和太陽能電池的研究，以期提高能量密度。圖3為掃描探針顯微鏡(SPM)下常見的石墨烯晶格。

石墨烯的優點已經在學術界爭論了幾十年，但還沒有商業化。令人驚訝的是，石墨烯在鉛筆和其他產品中被隨意使用了幾個世紀。我們可能要更好地理解的機制和結構