引言：昨天，有相關(guān)媒體發(fā)布了三星開(kāi)發(fā)出石墨烯電池的新聞，新聞內(nèi)顯示，三星的石墨烯技術(shù)可以使電池容量提高45%，同時(shí)電池的充電時(shí)間僅需要12分鐘。那么今天就由NE研究院為大家詳解下三星的這款石墨烯電池有何神奇的地方。
有關(guān)于石墨烯電池的說(shuō)法，其實(shí)并不新鮮，早在2012年，就有一家西班牙公司Graphenano宣稱(chēng)以工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)石墨烯電池，據(jù)稱(chēng)能量密度高達(dá)到600wh/kg,不過(guò)迄今為止，還沒(méi)有人見(jiàn)過(guò)這家企業(yè)的電池真正的在市場(chǎng)上應(yīng)用。而在2016年國(guó)內(nèi)某移動(dòng)終端大佬也宣稱(chēng)通過(guò)石墨烯延長(zhǎng)了電池使用壽命，不過(guò)石墨烯的作用主要是散熱，并未從本質(zhì)上改善電池的化學(xué)性能。
不過(guò)這回是來(lái)自在電池領(lǐng)域領(lǐng)先的三星，看起來(lái)靠譜多了，但是目前媒體對(duì)其具體的化學(xué)體系和原理沒(méi)有詳細(xì)的解釋?zhuān)敲催@次三星是使用了什么黑科技呢？今天，NE研究院找來(lái)了三星發(fā)表在Nature Communications上的論文，詳細(xì)為大家介紹一下。
三星開(kāi)發(fā)的快充、高容量電池石墨烯鋰電池
事實(shí)上，三星此次報(bào)道的電池中所使用的并不是單純的石墨烯，而是石墨烯-二氧化硅組合物，三星叫做石墨烯球（Graphene ball，下文中簡(jiǎn)稱(chēng)為GB）。三星通過(guò)將這種石墨烯球材料涂覆NCM正極材料，同時(shí)也拿來(lái)做負(fù)極材料，從而實(shí)現(xiàn)能量密度和快充性能的提升。
石墨烯球體是使用CVD方法在高溫下使用20-30nm半徑的SiO2粒子和甲烷氣體共同制備。
使用CVD工藝制備石墨烯球
從微觀角度上來(lái)說(shuō)，石墨烯球體和原來(lái)的石墨烯截然不同，原來(lái)的石墨烯更像是薄片狀的結(jié)構(gòu)，而石墨烯球體則是爆米花狀的結(jié)構(gòu)。
顯微鏡下普通石墨烯的結(jié)構(gòu)
三星制備的GB石墨烯球顯微鏡下結(jié)構(gòu)
其實(shí)由于石墨烯的原子層厚度的特征，本來(lái)是用來(lái)涂覆高能量正極材料保護(hù)層的理想材料，但工藝性能不佳，由于石墨烯晶體間的靜電作用，只能使用球磨法制備，但制備速度極慢，且很難在保證不傷害主材料。
而三則通過(guò)球磨法將石墨烯球覆蓋在NCM613材料上，僅需要10分鐘且不傷害主材料。由于其中SiO2粒子的存在，使得GB可以在NCM粒子上形成剪切力，從而形成內(nèi)部相互作用力，甚至相互滲透。
使用球磨法在NCM正極材料上涂覆石墨烯球
由于涂覆了石墨烯球帶來(lái)的導(dǎo)電性增強(qiáng)，使得電極的體積密度增加了33.3%，同時(shí)也極大的提高了電池的快充和高溫性能。在放電速率提高的情況下GB-NCM的性能要優(yōu)于純NCM材料。
GB-NCM材料的快充性能顯著優(yōu)于純NCM材料
另外一個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，5C的放電倍率下，GB-NCM//GB的快充優(yōu)勢(shì)更加明顯，在60攝氏度和25攝氏度的情況下，500次循環(huán)后，電池衰減依然保持在88%和86.1%。而純NCM/石墨電池衰減非常嚴(yán)重。目前媒體所報(bào)道的12分鐘快充，很大可能也是來(lái)自這里。
GB-NCM材料在60攝氏度、5C充電倍率下性能穩(wěn)定
同時(shí)，通過(guò)在負(fù)極上使用GB材料，提高了負(fù)極材料的初始比能量密度，初始庫(kù)侖效率達(dá)到了99%。通過(guò)對(duì)兩種不同化學(xué)體系的電池來(lái)看，通過(guò)使用NCM-GB//GB體系的電池，實(shí)現(xiàn)整體電池容量提升了27.6%，由50Ah提高到了63Ah。
GB-NCM//GB體系下電池容量提升27.6%
綜合文獻(xiàn)中的內(nèi)容來(lái)看，三星這回發(fā)布的石墨烯電池還是三元鋰電池的化學(xué)體系，通過(guò)在正極材料上涂覆GB，同時(shí)使用GB作為負(fù)極，從而實(shí)現(xiàn)了：
快充性能提升，5C倍率、60攝氏度下穩(wěn)定，相關(guān)媒體報(bào)道的12分鐘快充可以實(shí)現(xiàn)；
能量密度提升，可以實(shí)現(xiàn)800Wh/L的能量密度，整體電池能量提升27.6%，但并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)媒體報(bào)道的45%增長(zhǎng)的相關(guān)指標(biāo)。如果有哪位讀者了解這個(gè)45%是怎么來(lái)的，歡迎和我們溝通。
三星開(kāi)發(fā)的快充、高容量電池石墨烯鋰電池
目前來(lái)看，行業(yè)主要宣稱(chēng)使用石墨烯電池的，主要有兩種方式：
用來(lái)做電池負(fù)極材料、復(fù)合材料和導(dǎo)電添加劑等
作為導(dǎo)電劑添添加到正極中
總體而言，石墨烯在性能上是要優(yōu)于現(xiàn)在的碳材料，但由于制備工藝和成本問(wèn)題，使得石墨烯很難大規(guī)模商業(yè)化推廣的難度極大。
三星目前推出的這款石墨烯GB材料，事實(shí)上也依然面臨這些問(wèn)題，在目前石墨烯依然論克賣(mài)的今天，要實(shí)現(xiàn)商業(yè)化需要多少時(shí)間？之后如何和其他技術(shù)路線的LiS、甚至是號(hào)稱(chēng)1分鐘充滿(mǎn)的全固態(tài)電池競(jìng)爭(zhēng)？依然是個(gè)值得思考的問(wèn)題。
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