石墨如何在锂離子電池中發揮作用？

TIME: 2019-01-16 锂電池百科

锂離子電池的关键原材料石墨在2015年媒体预测石墨需求量大，所以要满足电动汽车用锂離子電池的增长需求。由于大型电动车电池需要大约25千克（55磅）的石墨用于锂离子阳极，因此推测石墨可能供不应求。虽然价格和消费一直低迷，但有迹象表明需求正在缩小。

石墨來自希臘語“graphein”。它具有耐熱性，導電性和導熱性，化學鈍化（耐腐蝕），比鋁輕。除锂離子陽極外，高級石墨還用于燃料電池，太陽能電池，半導體，LED和核反應堆。生産純度爲99.99％的陽極級石墨是昂貴的，並且該過程産生浪費。最終成本不是材料，而是純化過程。回收舊的锂離子以回收石墨不會解決這個問題，因爲這是一個繁瑣的淨化過程。

碳和石墨是相關物質。石墨是碳的同素異形體，是通過以不同方式將元素結合在一起而發生的結構修飾。石墨是最穩定的碳形式。鑽石是一種亞穩態碳同素異形體，以其優異的物理性質而聞名，不如石墨穩定，石墨是柔軟和可塑的。碳纖維的直徑約5-10微米，是人類頭發厚度的十分之一。碳原子在微觀晶體中結合在一起並且非常堅固。它們以紡織品方式編織並與聚合物基質混合，聚合物基質是一種硬化形式的碳纖維，與鋼一樣堅固但更輕。這些材料用于高爾夫球杆和自行車車架，以及汽車和飛機的車身部件以取代鋁。波音787和空中客車350X廣泛使用碳纖維。目前，電池用石墨僅占全球需求的5％。

石墨有兩種形式：來自礦山的天然石墨和來自石油焦的合成石墨。兩種類型都用于锂離子陽極材料，55％傾向于合成和天然石墨的平衡。制造商首選合成石墨，因爲它具有優于天然石墨的稠度和純度。這種情況正在發生變化，通過現代化學純化工藝和熱處理，天然石墨的純度達到99.9％，而合成當量的純度達到99.0％。純化的天然鱗片石墨具有更高的晶體結構，並且比合成材料具有更好的導電性和導熱性。改用天然石墨可降低生産成本，同時具有相同或更好的锂離子性能。锂離子合成石墨每噸售價約10,000美元，而天然鱗片制成的球形石墨售價7,000美元（2015年價格）。未加工的天然石墨便宜得多，除了成本之外，天然石墨比合成石墨更環保; 它也是石墨烯的基礎，是科學家的夢想。截至2016年底，天然石墨占市場份額的60-65％; 合成成分約爲30％，而钛酸锂，矽和錫等替代品約爲5％。

石墨烯

石墨烯是二维六方晶格形式的碳的同素异形体。石墨烯呈现在一片纯碳中，只有一个原子厚。它灵活，透明，不透水分，比钻石更坚固，比金更具导电性。专家暗示石墨烯是一种奇迹材料，可以改善许多产品，包括电池。据说石墨烯阳极比石墨阳极更好地保持能量，并且保证充电时间比目前锂離子電池的速度快十倍。

对于传统的石墨阳极，锂离子积聚在阳极的外表面周围。通过使锂离子穿过尺寸为10-20nm的石墨烯薄片的微孔，石墨烯具有更优雅的解决方案。这保证了最佳的存储区域和易于提取。一旦可用，估计这种电池比具有常规石墨阳极的锂離子電池存储的电能多十倍。通过向阴极添加氧化钒实现石墨烯的进一步改进。据说具有这种增强功能的实验电池在20秒内再充电，并在1000次循环后保持90％的容量。石墨烯也在超级电容器中进行测试，以提高比能量密度，以及太阳能电池。下图显示了使用扫描探针显微镜（SPM）可见的石墨烯的独特晶格。