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石墨烯在鋰離子電池領域應用仍存在哪些問題?

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2019年06月04日  

石墨烯因其在電學、力學、導熱散熱、光學、高比表面積等方面表現出優異的性能,使其在電子信息、儲能、節能環保、特種航天等領域擁有巨大的應用潛能,成為近年來的研發熱點之一。


隨著產業的發展,國家政策以市場為導向,逐步進行調整,多部門合力推進,發布了一系列相關政策進行系統布局。據CGIAResearch統計,2012年至2017年間,國家層面相關政策數量達20余條,地方層面相關政策數量達140余條。


在產業化推進方面,近幾年來,國內已經有很多市場化的石墨烯產品問世,其中應用于鋰電領域的石墨烯導電漿料生產企業有:東莞鴻納、青島昊鑫、華高等,石墨烯行業實現了從“講故事”到“賣產品”這一質變的跨越。


技術專利支持:國內石墨烯專利主要集中在鋰離子電池領域


近年來,中國在石墨烯應用技術方面的研究持續增長,主要集中在儲能、電子器件、水處理、氣體處理、化工、醫療、檢測、特種航天等。化工、儲能和電子器件領域的石墨烯相關專利申請數量占比位居前三,三者合計占比接近90%,成為國內石墨烯應用的主要領域。


石墨烯專利在儲能領域中主要集中在鋰離子電池領域,鋰離子電池相關的專利數為3077個,占據市場份額的40%以上。鋰離子電池領域技術研發較多的原因在于,石墨烯具有優良的導電性、能夠緩解電極材料的體積膨脹等,從而大幅提高動力電池的性能,因此石墨烯在鋰離子電池的正極、負極、集流體、隔膜、導電添加劑等方面應用較廣,未來市場前景尤為廣闊。


其次,超級電容方面的專利數也較多,為1331個,占比為17.5%。


鋰電市場向好:中國鋰電池行業市場前景向好


我國是鋰離子電池最主要的生產國之一。2014年,我國鋰離子電池產量達52.87億只,占全球總產量的71.2%,已連續10年位居全球首位。截止至2018年底,我國鋰離子電池產量達到139.87億只,比2014年增長了一倍多。伴隨鋰電池生產廠家在技術上的革新,性能和安全性的提升,人們對鋰電池的需求仍會不斷增長,預計到2024年,我國鋰電池行業市場規模將超過1500億元。


機遇與困難并存:石墨烯在鋰電池領域應用仍存不足


目前石墨烯在鋰電池中的添加形式主要有導電添加劑、電極復合材料及直接作為負極材料三種形式。其中,石墨烯導電添加劑的導電、放電性能遠遠優于傳統導電劑,其在制備過程中不涉及復雜的合成過程,因此可控性較強,難度較低,成功率較高,目前石墨烯導電劑研發技術已經相對成熟。


據石墨烯產業聯盟數據顯示,2017年石墨烯導電劑價格為230美元/千克,與碳納米管導電劑價格大致相同,預計到2020年石墨烯導電劑價格將降至113美元/千克,而碳納米管價格將維持在200美元/千克的水平,石墨烯導電劑的價格優勢將逐步顯現。


■石墨烯在鋰離子電池領域應用仍存一些問題:


1石墨烯制備過程中片層容易堆積,降低了理論容量。


2首次循環庫倫效率較低,大量鋰離子嵌入后無法脫出,降低電解質和正極材料的活性。


3鋰離子的重復嵌脫使得石墨烯片層結構更加致密,鋰離子嵌脫難度加大而使得循環容量降低。


4石墨烯振實密度較低,降低電池的功率密度。


中國科學院金屬研究所博士、北京圣盟科技有限公司首席科學家趙金平帶領的團隊研發的石墨烯包覆技術,能將鋰離子電池正極材料比容量提升15%-25%,將循環1000次后的容量保持率提升30%-40%;把負極材料的容量提升40%-45%,將循環1000次后的容量保持率提升35%-50%。


這意味著,把石墨烯包覆鋰離子正、負極材料技術應用到車用動力電池上,有望提升目前三元鋰離子電池單體能量密度(約200瓦時/千克),達到《智能汽車關鍵技術產業化實施方案》提出的2020年車用動力電池能量密度指標300瓦時/千克的目標。


中汽協發布的6月份汽車產銷數據顯示:1-6月,新能源汽車累計產銷分別完成41.3萬輛和41.2萬輛,同比去年分別增長94.9%和111.5%。中汽協會秘書長助理許海東表示,今年上半年新能源汽車產銷情況遠遠好于往年同期,預計下半年仍會保持較好的發展態勢,維持之前預判,全年產銷規模超100萬輛。


《促進汽車動力電池產業發展行動方案》要求新型鋰離子動力申池單體比能量超過300Wh/Kg;系統比能量力爭達到260Wh/Kg。并提出,到2020年動力鋰電池總產能超過100GWh,形成年產銷規模40GWh以上的龍頭企業。受新能源汽車產銷拉動,2017年動力電池裝機量達到36Gwh,增長21%。根據高工產業研究院統計數據,2018年5月,新能源汽車市場完成鋰電池裝機量達4.5GWh,同比大增181%,今年1-5月,新能源汽車市場累計完成裝機量達12.7GWh,同比增長199%。


石墨烯包覆改性鋰離子電池正負極材料技術的重大突破將進一步推動國內動力電池的高能量密度化。


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