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    簡析鋰離子電池負極材料:石墨與石墨烯

    鉅大LARGE  |  點擊量:2012次  |  2019年09月05日  

    石墨



    圖1改性天然石墨


    據媒體預計,今年隨著電動汽車的蓬勃發展,鋰離子電池需求激增,將帶動下游的石墨產業。盡管石墨的價格和銷量一直不見起色,但投機者依舊看好石墨需求趨緊的前景。


    石墨是碳的一種同素異形體,二者緊密相關。同素異形體是指同一元素組成的不同結構的單質。石墨是碳元素最穩定的存在形式。(金剛石是碳的一種亞穩態同素異形體,雖然它的硬度遠遠高于石墨,是自然界中硬度最高的物質,但它的穩定性卻低于石墨。)


    “石墨一詞來源于希臘語“graphein,該材料耐高溫,耐腐蝕,具有良好的導電性、導熱性和穩定的化學性能,同時比鋁要輕。除了用作鋰離子電池的負極材料外,優質的石墨還可用于燃料電池、太陽能電池、半導體、發光二極管以及核反應堆等不同領域。


    碳纖維是一種由碳原子鍵合形成的微晶材料,直徑只有5-10μm,大約是人體頭發絲直徑的十分之一,但其強度卻非常高。碳碳鍵像編織衣物一樣沿著聚合物基體成鍵,碳纖維強度強于鋼絲卻比鋼絲更輕。碳纖維材料常用于高爾夫球桿,自行車架,并有望取代鋁,用于汽車和飛機的結構架,例如波音787和空客350X中都使用了大量的碳纖維材料。


    目前,石墨材料僅占全球電池需求量的5%。人們有兩種方式獲取石墨:一是天然礦石,二是煤焦油的合成。而鋰離子電池使用的石墨材料一般是由55%的合成石墨與45%低純度的天然石墨調和制備的。


    生產廠家曾經一度青睞合成石墨,因為合成石墨的均一性和純度要優于天然石墨。現在情況卻有了轉變,現代化學提純方法的應用使得經熱處理可獲得99.9%純度的天然石墨,相比之下,合成石墨的純度為99%,因而前者更受歡迎。


    與合成石墨相比,經過提純的天然片狀石墨有更高的結晶度,表現出更好的導電性和導熱性。此外,天然石墨有望降低鋰離子電池的生產成本,同時還能獲得同等甚至更優異的電池性能。現在用于鋰離子電池的合成石墨的售價為每噸10,000美元,而通過天然石墨薄片加工的的球形石墨售價僅為每噸7,000美元(2015年價格),未加工處理的天然石墨還要便宜。


    可以預計的是合成石墨終將被替代,未來屬于更便宜更環保的天然石墨,而以天然石墨為原料合成的石墨烯,則是科學家們為我們繪制的另一番藍圖。


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