CIBF交流會(huì)劉兆平演講：石墨烯在鋰離子電池中的應(yīng)用研究進(jìn)展
6月20日，由中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)主辦的第十一屆“中國(guó)國(guó)際電池技術(shù)交流會(huì)”在深圳會(huì)展中心開幕。本次交流會(huì)以“動(dòng)力電池和儲(chǔ)能電池”為主題，重點(diǎn)關(guān)注了電池應(yīng)用領(lǐng)域。全球50多位電池業(yè)界頂級(jí)專家亮相交流會(huì)并發(fā)表了主題演講，來(lái)自50多個(gè)國(guó)家和地區(qū)的800多名行業(yè)專家、學(xué)者和企業(yè)家與會(huì)。圖為來(lái)自中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所的潘劉兆平博士在CIBF2014中國(guó)國(guó)際電池技術(shù)交流會(huì)上發(fā)表主題演講。
劉兆平：
感謝大會(huì)組委會(huì)給我這么好的機(jī)會(huì)來(lái)介紹石墨烯，這是我首次公開講石墨烯以及鋰電池方面的研究進(jìn)展。
首先介紹一下石墨烯產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)展，以及在鋰電池當(dāng)中的一些應(yīng)用方案。
近期世界杯很熱，石墨烯材料跟足球的構(gòu)造很像，深圳機(jī)場(chǎng)的頂棚也是石墨烯制造的。石墨烯從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)化有很多艱難的過程，我們跟很多研究石墨烯的同行一樣，首先要考慮的是工業(yè)化。從2008年到2009年，我們從創(chuàng)立新方法到進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，再到參加大賽，拿到了不錯(cuò)的名次，因此外界對(duì)我們的關(guān)注度很高，2012年初我們獲得投資者的青睞，得到了2億多元的技術(shù)轉(zhuǎn)讓費(fèi)，成立了寧波墨烯集團(tuán)有限公司。
我們的技術(shù)優(yōu)勢(shì)有三點(diǎn)：第一，我們創(chuàng)立了獨(dú)特的插層剝離技術(shù)；第二，創(chuàng)新了復(fù)合粉體技術(shù)；第三，憑借投資者強(qiáng)大的資本建立了可靠的規(guī)模量產(chǎn)工藝。
關(guān)于剝離，我們創(chuàng)立了新的方法控制石墨烯的厚度，而且導(dǎo)電性能高、分散性好、價(jià)格實(shí)惠，這樣才能滿足鋰離子電池的應(yīng)用要求。我們解決了保持高導(dǎo)電性等難題，這也是出于工業(yè)化的考慮。我們擁有獨(dú)特的化學(xué)剝離技術(shù)。一顆石墨顆粒大概有幾千層，相當(dāng)于一本書，把每一頁(yè)翻開都是石墨烯，但要把每一頁(yè)翻開很難。所以就要找一個(gè)新的方法。對(duì)于鋰電池和大部分工業(yè)來(lái)講目前要求不需要這么高，我們工業(yè)制備的過程是通過插層、膨脹，再打開進(jìn)行剝離。石墨烯的特點(diǎn)是很難分散。前段時(shí)間法國(guó)舉辦的石墨烯展覽，中國(guó)代表團(tuán)也前去參加，據(jù)介紹，寧波有300噸石墨烯的產(chǎn)能，差不多N個(gè)足球場(chǎng)才能堆的下。如果把石墨烯做的很蓬松，單片中間不堆積的話體積十分巨大，但是這樣的狀態(tài)是沒法用的，因?yàn)樘^松散會(huì)造成空氣污染，也無(wú)法運(yùn)輸，所以要解決這個(gè)問題，讓它密度高、好分散，特別是在鋰電池里面好分散。我們的方法是在它的表面粉刷一層高分子物質(zhì)，這種高分子必須跟其他物質(zhì)相容，通過這種方法使石墨烯的密度增加。在實(shí)驗(yàn)過程中，石墨烯開始是顆粒，是粉狀，處理后每一片包裹在高分子里面。重新分散的效果是片狀的。我們主要把它應(yīng)用到電池領(lǐng)域。我們開發(fā)了電池石墨烯的粉末和電池里面用的漿料。這種漿料流動(dòng)性好，類似墨水倒進(jìn)去就散開。我想這樣的漿料和石墨烯導(dǎo)電劑很適合大家的應(yīng)用。
雖然我們發(fā)布了產(chǎn)品，但是價(jià)格并不貴。我們公布的價(jià)格是1000塊錢1公斤，目的是讓大家用得起，用得好。而且我們有保險(xiǎn)，如果有問題我們單次賠償最高2千萬(wàn)，累計(jì)賠償最高5千萬(wàn)，也就是說(shuō)我們不僅是石墨烯材料的提供者，更是一個(gè)應(yīng)用技術(shù)解決方案的提供者。
石墨烯應(yīng)用到電極材料里，可以讓它有很好的導(dǎo)電性，比如磷酸鐵鋰、硅極負(fù)極材料都需要導(dǎo)電性能高的材料。我們?cè)诹姿徼F鋰?yán)锟梢钥吹绞┚鶆虻姆稚?，而且它的倍率和性能有所提升，跟納米碳材料對(duì)比，納米碳材料大約2%的填充量跟石墨烯的1%相當(dāng)，由此可見石墨烯略優(yōu)一些。寧波的一家企業(yè)，建成了一條磷酸鐵鋰的生產(chǎn)線，就采用石墨烯磷酸鐵鋰的復(fù)合方案，因?yàn)槭┑墓S剛剛建成，批量生產(chǎn)最近才開始。在實(shí)驗(yàn)室我們對(duì)硅材料也進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究，并發(fā)現(xiàn)石墨烯跟硅也可以很好的復(fù)合。
目前我們遇到的困難是，因?yàn)槭┦潜∑Y(jié)構(gòu)，所以會(huì)有自堆疊現(xiàn)象，而且在生產(chǎn)期間可能引起堵料。經(jīng)過研究我們提出建議，在磨料之后加入石墨烯，或者不用研磨。
我們開發(fā)了兩款產(chǎn)品，一款是水性鋰電池專用石墨烯漿料，一款是電池用石墨烯粉末。我們接收到的疑問包括：第一，石墨烯導(dǎo)電性效果好不好？第二，石墨烯是否阻擋鋰離子的擴(kuò)散？而實(shí)際上一個(gè)結(jié)構(gòu)完整的石墨烯鋰離子是不可能會(huì)被阻擋的。第三，石墨烯會(huì)不會(huì)對(duì)電池性能有衰減呢？其實(shí)這些擔(dān)心是多余的，就像我們所在的大廳一樣，這里有門，石墨烯并沒有堵住正極材料的通道，鋰離子完全可以在里面自由傳輸，而且導(dǎo)電性能還很強(qiáng)。
通過比較石墨烯跟CNT之間的優(yōu)勢(shì)，我們發(fā)現(xiàn)填充1%石墨烯與填充2%CNT和填充5%SP的電阻力是相當(dāng)?shù)?，也就是說(shuō)石墨烯比CNT還略優(yōu)。復(fù)合導(dǎo)電劑單純用石墨烯并不好，因?yàn)楸∑?。我們可以看到石墨烯均勻分散于磷酸鐵鋰電極中，它的倍率性能、能量也略高。我們發(fā)現(xiàn)做成20Ah的電池后，其性能更加顯著，倍率性能更高，壽命也有很大提升。另外電池本身容量增加了11%。此外在高倍率充放電時(shí)，電池可以保持更低的殼體溫度。通過企業(yè)提供的數(shù)據(jù)與CNT的比較，我們發(fā)現(xiàn)在高倍率下的性能，石墨烯還是勝過CNT。我們觀測(cè)電池溫度下降時(shí)的充電倍率，當(dāng)橫流充電使用CNT剩余84%，使用石墨烯剩余91%，由此可以看出石墨烯優(yōu)點(diǎn)更加突出。
用石墨烯之后鈷酸鋰電池的壽命會(huì)更高，極片更加柔軟，壓實(shí)密度更高。通過批量試制600只電池，設(shè)計(jì)容量1500mAh，它們的循環(huán)性能有所提升，即擁有更高的倍率。
觀察石墨烯的涂層鋁箔，大家可以發(fā)現(xiàn)涂層很薄，而且涂層是光亮的，這是我們專門為涂層開發(fā)的漿料，同原來(lái)商用的漿料比大概多了50倍的電導(dǎo)率。我們通過將該涂層和空白的鋁箔比較，發(fā)現(xiàn)石墨烯涂層對(duì)電池設(shè)計(jì)的容量沒有損失，倍率性能同有碳的涂層相比會(huì)好很多，電阻的穩(wěn)定性始終保持在13.7，其他的都會(huì)有些變化，所以石墨烯涂層薄有好處。石墨烯應(yīng)用在磷酸錳鋰電池中，有涂層與沒涂層相比，內(nèi)阻相差了一至兩倍。對(duì)于涂層厚度能否更薄，成本是否太貴，我們的解決方法是，首先進(jìn)一步改善配方，第二引進(jìn)新型涂布設(shè)備。
石墨烯未來(lái)可能成為高性能電池的新的解決方案。
謝謝大家。
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