劉兆平在CIBF研討會(huì)上的講話：石墨烯在鋰離子電池中應(yīng)用的研究進(jìn)展
劉兆平在CIBF研討會(huì)上的講話：石墨烯在鋰離子電池中應(yīng)用的研究進(jìn)展
6月20日，由中國化學(xué)與物理電力工業(yè)協(xié)會(huì)主辦的第十一屆中國國際電池技術(shù)交流會(huì)在深圳會(huì)展中心開幕，研討會(huì)以動(dòng)力電池和儲(chǔ)能電池為重點(diǎn)，圍繞電池應(yīng)用展開，來自電池行業(yè)的50多位頂尖專家齊聚一堂。世界發(fā)表了主旨演講。來自50多個(gè)國家和地區(qū)的800多名行業(yè)專家、學(xué)者和企業(yè)家出席了會(huì)議，圖為中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)工程研究所潘劉兆平博士在2014年中國國際電池技術(shù)交流會(huì)上的主旨演講。
感謝組委會(huì)給我一個(gè)介紹石墨烯的好機(jī)會(huì)。這是我第一次公開談?wù)撌┖弯囯姵氐难芯窟M(jìn)展。
最近，世界杯很熱。石墨烯材料類似于足球的結(jié)構(gòu)。深圳機(jī)場的屋頂也是由石墨烯制成的，從實(shí)驗(yàn)室到石墨烯工業(yè)化有許多困難的過程。和許多研究石墨烯的同事一樣，工業(yè)化是首要考慮的問題。從2008年到2009年，我們從創(chuàng)造新方法到試驗(yàn)和參加競賽都取得了很好的成績。因此，外部世界非常關(guān)注我們。2012年初，我們贏得了投資者的青睞，獲得了2億多技術(shù)轉(zhuǎn)讓費(fèi)，成立了寧波美樂集團(tuán)有限公司。
我們的技術(shù)優(yōu)勢是：一是創(chuàng)造了獨(dú)特的插層剝離技術(shù)；二是創(chuàng)新了復(fù)合粉體技術(shù)；三是建立了可靠的大規(guī)模生產(chǎn)工藝，投資者資金雄厚。
在剝離方面，我們創(chuàng)造了一種新的方法來控制石墨烯的厚度，這種方法具有高導(dǎo)電性、良好分散性和低成本，以滿足鋰離子電池的應(yīng)用要求。我們解決了保持高導(dǎo)電性的問題，這也是我們考慮工業(yè)化的原因。我們還解決了石墨烯的厚度控制問題。擁有獨(dú)特的化學(xué)剝離技術(shù)，一個(gè)石墨顆粒有上千層，相當(dāng)于一本書。每一頁都是石墨烯，但很難翻開每一頁，所以我們需要找到一種新的方法。對(duì)于鋰電池和大多數(shù)工業(yè)來說，目前的要求不需要太高，我們的工業(yè)制備過程是通過插層、膨脹，然后再進(jìn)行剝離。石墨烯的特點(diǎn)是分散困難。有時(shí)此前，中國代表團(tuán)還參加了在法國舉行的石墨烯展覽會(huì)。據(jù)報(bào)道，寧波有300噸石墨烯的生產(chǎn)能力，幾乎N個(gè)足球場都能堆積如山。如果石墨烯制成的很蓬松，不堆積在整塊的中間，體積很大，但這種狀態(tài)是無用的，因?yàn)檫^松會(huì)造成空氣污染，而且不能運(yùn)輸，所以要解決這個(gè)問題。問題是，讓它具有高密度、良好分散性，特別是在鋰電池中。我們的方法是在它的表面涂上一層高分子材料，這層材料必須與其他物質(zhì)相容，以增加石墨烯的密度。在實(shí)驗(yàn)過程中，石墨烯最初是顆粒狀和粉末狀的，每一塊都被包裹在聚合物經(jīng)過處理后，再分散的效果是片狀的，我們主要應(yīng)用于電池領(lǐng)域，我們開發(fā)了電池用石墨烯粉末和電池用泥漿，該泥漿具有良好的流動(dòng)性，類似于注入和分散的油墨，我認(rèn)為該泥漿和石墨烯導(dǎo)電劑非常適合您的應(yīng)用。
雖然我們已經(jīng)發(fā)布了產(chǎn)品，但價(jià)格不貴，我們宣布的價(jià)格是1000元1公斤。我們的目的是讓它負(fù)擔(dān)得起并得到良好的使用。而且我們有保險(xiǎn)。如果有問題的話，我們最多可以付2000萬元一次補(bǔ)償，5000萬元一次補(bǔ)償。也就是說，我們不僅是石墨烯材料的供應(yīng)商，也是應(yīng)用技術(shù)解決方案的供應(yīng)商。
石墨烯可用于電極材料，使其具有良好的導(dǎo)電性，如磷酸鐵鋰、硅陽極材料需要高導(dǎo)電性的材料，可見石墨烯均勻地分散在磷酸鐵鋰中，其比例和性能得到提高。與納米碳材料相比，2%左右的納米碳材料的填充量相當(dāng)于1%的石墨烯，說明石墨烯的填充量稍好，寧波某企業(yè)已建成磷酸鐵鋰生產(chǎn)線。由于石墨烯工廠剛剛建成，量產(chǎn)才剛剛開始，采用石墨烯-磷酸鋰-鐵復(fù)合方案，在實(shí)驗(yàn)室中我們還設(shè)計(jì)研究了硅材料，發(fā)現(xiàn)石墨烯和硅也可以很好地復(fù)合。
目前，我們遇到的困難是石墨烯是薄片狀結(jié)構(gòu)，會(huì)出現(xiàn)自堆積現(xiàn)象，在生產(chǎn)過程中可能會(huì)引起堵塞，經(jīng)研究，建議研磨后加入石墨烯，或不研磨。
我們已經(jīng)開發(fā)了兩種產(chǎn)品，一種是水性鋰電池的石墨烯漿，另一種是電池用石墨烯粉，我們收到的問題包括：第一，石墨烯導(dǎo)電嗎第二，石墨烯能阻止鋰離子的擴(kuò)散嗎事實(shí)上，一個(gè)結(jié)構(gòu)完整的石墨烯鋰離子不會(huì)被阻擋。第三，石墨烯會(huì)降低電池的性能嗎事實(shí)上，這些顧慮是多余的，就像在我們的大廳里，有門，石墨烯不會(huì)堵塞陰極材料的通道，鋰離子可以完全自由地在里面?zhèn)鬏?，而且?dǎo)電性也很強(qiáng)。
通過比較石墨烯和碳納米管的優(yōu)點(diǎn)，我們發(fā)現(xiàn)填充1%石墨烯的電阻相當(dāng)于填充2%碳納米管和5%SP的電阻，也就是說，石墨烯略好于碳納米管，單是石墨烯對(duì)復(fù)合導(dǎo)電劑不好，因?yàn)槭┢?，可以看出石墨烯是均勻分散劑。在磷酸鐵鋰電極中，其倍率性能和能量也稍高，我們發(fā)現(xiàn)制作20Ah電池后，其性能更加顯著，倍率性能更高，壽命也大大提高，而且電池本身的容量增加了11%，而且在高充電率下放電時(shí)，電池的殼溫較低，通過與CNT企業(yè)提供的數(shù)據(jù)比較，發(fā)現(xiàn)石墨烯在高速率下的性能仍優(yōu)于CNT，并觀察了電池溫度下降時(shí)的充電速率。當(dāng)CNT用于交叉電流充電時(shí)，剩下的84%和石墨烯用于91%的電荷。由此可以看出，石墨烯具有更突出的優(yōu)勢。
石墨烯使鋰鈷氧化物電池的壽命更長，電極更軟，壓實(shí)密度更高，批量試制了設(shè)計(jì)容量為1500 mAh的600個(gè)電池，循環(huán)性能得到了提高，具有較高的效率。
通過觀察石墨烯涂層鋁箔，我們可以發(fā)現(xiàn)涂層非常薄和明亮。這是我們?yōu)橥繉娱_發(fā)的泥漿。通過與空白鋁箔涂層的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)石墨烯涂層在電池設(shè)計(jì)容量上沒有損失，其速率性能明顯優(yōu)于碳涂層。電阻穩(wěn)定性一直保持在13.7。另外一些會(huì)發(fā)生變化，所以石墨烯的涂層很薄，當(dāng)石墨烯用于鋰錳磷酸鹽電池時(shí)，涂層電池和未涂層電池的內(nèi)阻差是1-2倍，至于涂層厚度是否薄，成本是否太高，我們的解決辦法是進(jìn)一步改進(jìn)配方和d引進(jìn)新的涂裝設(shè)備。
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