鉅大LARGE | 點擊量：649次 | 2019年06月04日
石墨烯會是鋰電材料突破口嗎?目前鋰離子電池遇到的問題有哪些？
自今年以來，市場對石墨烯材料追捧火熱，不少廠商和科研機構對石墨烯作為新的電池材料的應用嘗試越來越多。烯聯納米項目負責人何仕國曾表示，烯聯納米的電池正極材料是純電動車電池的核心技術。那么，石墨烯會是鋰電材料突破口嗎?能為目前鋰離子電池遇到的問題提供多一個解決選項嗎?
石墨烯鋰電池嶄露頭角
石墨烯具有獨特的二維結構、優異的性能和各種潛在的應用價值，石墨烯基納米材料是一種很有吸引力的鋰離子電池電極材料，尤其針對高能量密度與高功率密度電池。而石墨烯電池，就是利用鋰離子在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運動的特性，開發出的一種新電池。
有趣的是，除了浙江烯聯納米科技有限公司投資建石墨烯基地外，玉龍股份近日也發布公告增資投產石墨烯。據悉，玉龍股份將對寧夏漢堯石墨烯儲能材料科技有限公司增資人民幣3億元，主要用于加快寧夏漢堯鋰離子電池石墨烯三元正極材料及導電漿料項目產線的建設投產，帶動產能和釋放推動新業務的發展。
鋰電產業鏈相關廠商的對石墨烯鋰離子電池的布局，或將加速石墨烯鋰離子電池的的面世。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
石墨烯是高能量密度電池重要選項
在國家政策主導鋰電往高能量密度的發展背景下，石墨烯材料是很好的下一代電池材料備選。石墨烯在新一代素材中一直被認為是代表性材料。從石墨中剝出的石墨烯是薄薄的碳素原子膜，其特點是物理性、化學性的穩定性較高。該材料比銅的導電性高100倍;比硅的導電速度高140倍以上。這也是石墨烯球材電池比現有的充電電池的充電速度快五倍的理由。憑借優異的材料性能，石墨烯受到了研究機構與鋰電企業的青睞。
今年初，從科技部網站獲悉，韓國《中央日報》報道三星電子綜合技術院的研究小組成功研發出新電池材料“石墨烯球”，比現有鋰離子電池的充電容量高出45%，充電速度提高5倍以上。研究人員發現在高強度、高導電性的石墨烯材料中加入二氧化硅后，可以大量合成石墨烯，合成的石墨烯像爆米花一樣呈現出三維立體形態，因此被稱為“石墨烯球”，將這種石墨烯球材料用于鋰離子電池的陽極保護膜和陰極材料后可以提升充電容量、縮短充電時間，而且高溫穩定性也能得到保障。韓國計劃五年內將“石墨烯球”鋰電子電池實現商用化。
今年三月底，落戶于銀川經濟技術開發區的石墨烯新能源產業化項目，計劃投資85億元，實施年產3萬噸石墨烯改性三元材料及1萬噸石墨烯導電漿料項目等5個項目，項目建成后，可在銀川市形成石墨烯儲能材料基本的產業鏈條，并形成年產值150億元以上的規模。
而不久前，美國麻省理工學院已成功研制出表面附有石墨烯納米圖層的柔性光伏電池板，可極大降低制造透明可變形太陽能電池的成本，這種電池有可能在夜視鏡、相機等小型數碼設備中應用。
石墨烯電池盡管得到了不少廠商和投資者的偏愛，但是也存在反對聲音。首先，成本和工藝的復雜性高，有學者認為，石墨烯電池可能只能存在于實驗室之中，商業化的普及還是比較的困難。OakRidgeNaTIonalLaboratory與有名的石墨烯業內廠商Vorbeck曾披露石墨烯的研究成果，他們認為，石墨烯工作的可重復性常常都很差，所做技術與實用化目標脫節嚴重。這一現象已經廣受科研界中的有識之士，以及工業界的詬病。
材料是現代文明的三大支柱之一，新材料的發現以及跨領域的應用對科技發展起到至關重要的作用。電池產業由傳統鋰電池再到之后的鈷鋰電池，一直到如今的電池高鎳化。石墨烯對于動力電池而言，或許是下一代材料的突破口。而電池技術的發展，也在促進各種電子終端產品的迭代。
周恩來曾就讀過的日本筑波大學所領導的合作項目發現了一種優化析氫催化劑的方法，可以在不顯著犧牲催化活性的前提下提高其穩定性。研究小組發現用石墨烯包覆催化劑納米顆粒，可以提高催化劑耐用性，該成果發表在ACS上。
研究人員稱，“我們優化了石墨烯涂層納米顆粒的數量和它們的催化活性之間的平衡，要做到這一點，我們必須精確地控制石墨烯層涂布納米顆粒的數量，這是通過仔細調節石墨烯在納米顆粒上的沉積時間來實現的?！?/p>
團隊制備了一系列涂覆有不同數目石墨烯層的納米粒子樣品，并對其進行表征，然后確定了它們在析氫反應中的催化活性。涂覆有最佳數量的石墨烯層的催化劑納米顆粒，其僅為三至五層，在析氫反應中顯示出與昂貴的鉑基催化劑類似的活性。重要的是，這些納米顆粒也顯示出高穩定性；石墨烯涂層防止金屬納米粒子溶解在酸性反應溶液中。
研究人員進行了理論計算來支持他們的實驗結果。結果證實了石墨烯層數、化學穩定性和納米粒子的催化活性之間的關系。也就是說，涂覆少于三個石墨烯層的納米顆粒比三至五層涂覆的催化劑具有更高的催化活性，但這是以耐久性為代價的；前者比后者表現出較差的化學穩定性。
“我們的研究結果為在酸性條件下通過現場聚合物電解質膜電解在氫站進行大規模氫生產的穩定、廉價的催化劑鋪平了道路。”該小組的研究結果有利于氫燃料清潔能源產業化。
石墨烯是目前最薄也最堅硬的納米材料，集透光性好、導熱系數高、電子遷移率高、電阻率低、機械強度高等多種優異性能于一身，是主導未來高科技競爭的超級材料，被稱為“黑金”，可極大推動相關產業快速發展和升級換代，市場前景廣闊，有望催生千億元規模的產業。
由于硅材料本身限制，計算機、芯片或電子器件的開發速度再難遵守摩爾定律，性能提升速度減慢。石墨烯中電子運行幾乎無阻礙，運行速度是硅的數倍，為打破這一瓶頸帶來可能。加之智能化、大數據、云計算、可穿戴裝備的興起，對高速計算機、高效能源轉換和儲存系統、柔性電子的需求迫在眉睫，石墨烯可在這些領域發揮決定性的作用，這預示著全球科技發展將從過去的硅時代邁入以石墨烯等碳材料為代表的碳時代。
石墨烯問世之后，美國、日本、歐盟等發達國家紛紛從國家戰略高度開始部署石墨烯研究和發展規劃，投入數十億美金支持石墨烯研究和商業化。三星電子、IBM、諾基亞、陶氏化學、通用、施樂公司、拜爾、巴斯夫等跨國集團，也都瞄準石墨烯市場，積極推進石墨烯產業化研究。
中國是石墨資源大國，也是石墨烯研究和應用開發最活躍的國家之一。未來十年是石墨烯從實驗室步入應用的關鍵時期。繼《中國制造2025》、《關鍵材料升級換代工程實施方案》等國家戰略性文件將石墨烯納入重要的前沿性新材料之后，工業和信息化部、發展改革委和科技部又聯合發布了《關于加快石墨烯產業創新發展的若干意見》，助推石墨烯產業化進程，引領石墨烯產業化發展方向。
石墨烯是開啟未來的產業，是我國新材料產業的發展契機，其產業化過程，也是檢驗和提升我國綜合科技實力的過程。在研究國內外石墨烯產業發展情況的基礎上，提出石墨烯產業發展政策建議：保護知識產權促進公共平臺成果落地、加強人才培養夯實綜合科技基礎、鼓勵引入民間資本發展石墨烯產業，并就我國石墨烯產業發展設想四條主要路徑。
路徑一：重大工程牽引推動
通過政府政策引導，圍繞我國經濟社會發展和國家安全重大需求，整合創新、產業化等資源，抓住重點，實施多項重大工程，開發一批標志性、牽引推動作用強的重點產品和代表工藝，提升自主開發設計水平和系統集成能力。突破石墨烯晶體管、石墨烯電極、石墨烯芯片、石墨烯光電子器件、石墨烯高頻器件、石墨烯激光器件等關鍵核心部件、關鍵技術及系統集成工藝，突破共性關鍵技術和工程化、產業化瓶頸，提高石墨烯創新、產業化能力和國際競爭力，帶動材料業整體綜合實力發展，搶占國際競爭制高點。
路徑二：重點行業應用示范
堅持石墨烯發展全國一盤棋和分行業指導相結合，統籌規劃，整合資源，合理布局，明確石墨烯發展大方向。鼓勵全民創新，引導創新成果轉化，扎實提高基礎科學理論水平，促進各行業深度發展，總結積累產業化經驗，加快推動石墨烯應用整體水平提高，開展重點行業的應用示范工作，在醫學領域、化學領域、能源領域、納米器領域、電子領域等各領域打造重點示范項目。
路徑三：產學研用協同推進
產學研用多渠道協同推進石墨烯產業化進程，通過生產單位、學校、科研機構和用戶等相互配合，集中各自優勢資源，形成研究、開發、生產、應用一體化的高效系統，在運行過程中發揮綜合優勢，提高產業鏈從實驗成果到實際應用的整體效率，降低轉化成本。建立石墨烯上游生產企業，包括石墨礦企、石墨烯生產設備CVD等設備生產企業，下游應用企業，包括電子企業、電池企業、生物醫藥企業、特種航天企業等與高校、研究院所等科研機構的產業聯盟、技術創新聯盟等。提煉共性技術，加強石墨烯公共技術服務，降低石墨烯產業化進程中的時間、資金、技術、工藝、設備、人才等成本，為聯盟單位提供一個高標準高質量的起點和合作渠道。
路徑四：創新平臺集聚發展
完善國家石墨烯創新體系建設，加強頂層設計，加快建立以創新中心為核心載體、以公共服務平臺和應用產業數據中心為支撐的石墨烯創新網絡，建立以市場為主導的創新和應用方向選擇機制以及鼓勵創新的風險分擔、利益共享機制。建立石墨烯創新產業園區和基地，引進科技成果轉化孵化器和技術產業化加速器。利用地方人才、資源、資金等優勢發展產業集群，集聚新興產業，發揮產業集聚效應，加速石墨烯創新和應用突破及產業化進程。建設一批促進石墨烯協同創新和產業化的公共服務平臺，規范行業標準，開展技術研發、技術評價、技術交易、檢驗檢測、質量認證、人才培訓等專業化服務，提高科技成果轉化效率和推廣應用速度。
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