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【解读】“万能材料”石墨烯在节能环保相关产业中的神奇助力

2016-02-17 03:20
天堂的苦涩
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  第四,石墨烯在太阳能电池中最有可能发挥作用的领域有哪些?

  答:来自西班牙Universitat Jaumel和英国Oxford University组成的光伏和光电器件组(DFO)的研究团队近日开发了一个光电池设备,使用基于石墨烯材料制成的太阳能电池,可使太阳能电池的有效转化率达到15.6%。该团队的研究论文已经发表在《Nano Letters》期刊上。他们将二氧化钛和石墨烯结合在一起,当做电荷收集器。

  接着他们使用钙钛矿作为太阳光吸收器。除了改善了太阳能转化率之外,该团队称这个设备还是在低温条件下制造的。通过内嵌几层材料,研究团队还可以使用基于解决方案的配置技术在温度低于150℃的地方处理它。这不仅意味着更低的潜在生产成本,而且意味着这项技术还可能用在柔性塑料上。

  第五,石墨烯在燃料电池最有可能发挥作用的领域有哪些?

  答:Rao(2008)研究了石墨烯(3~4层)对氢气和二氧化碳的吸附性能。对H2而言,在100bar,298K条件下,最高可达3.1wt%;对,在1bar,195K条件下,其吸附量为21~35wt%。理论计算表明,如果采用单层石墨烯,其H2吸附量可达7.7wt%,完全能满足美国能源部(MOE)对汽车所需氢能的要求(6wt%)。

  第六,中车的石墨烯超级电容真的算是突破吗?

  答:该公司3伏╱12000法拉超级电容依公式1╱2*C*V^2得出电位能等于54KJ,换算为15wh,并没有超出目前技术水平太多。一般的18650电池容量能做到3100mAh左右,这样算下来能量密度大约在700Wh/L,超级电容没有做到200kw/kg就没有机会取代锂电池。

  第七,有所谓的“石墨烯电池”吗?

  答:所谓石墨烯电池并非整个电池都用石墨烯材料制作,而是在电池的电极使用石墨烯材料,所以称为“石墨烯电池”并不恰当。石墨是目前锂离子电池中最常用的负极材料,充电时,Li嵌入到石墨层间形成插层化合物,Li完全嵌入时,每个石墨层都嵌入一层Li,对应化合物LiC6,理论比容量为372mAh╱g。当每片单层石墨都以杂乱无章的方式排列,则在单层石墨的两侧表面都可以结合Li,理论比容量提高了一倍,即744mAh╱g。由于石墨烯的缺陷位、片层边缘及石墨烯堆积形成的微孔结构都可以储存Li。因此,在理论上石墨烯电极可能有超过石墨两倍的比容量。

  如果将石墨烯和SnO2,Mn3O4,CuO等电导率比较低的正极、负极纳米材料进行复合,如Li4Ti5O12、TiO2、LiFePO4等,就能提高锂离子电池的循环性能。中科院金属研究所在PNAS发表论文,将正极材料LiFePO4和负极材料Li4Ti5O12分别与石墨烯复合,制备了LiFePO4-石墨烯╱Li4Ti5O12-石墨烯为电极的具有高充放电速率的柔性锂离子电池,石墨烯做为锂离子及电子的通路,同时发挥导电添加剂和集流体的作用。

  第八,石墨烯用在锂电池中导电添加剂及隔膜有何实质帮助?

  答:1)导电添加剂:如果将石墨烯和炭黑混合后做为导电添加剂加入锂电池,可以有效降低电池内阻,提升电池倍率充放电性能和循环寿命,而且电池的弯折对充放电性能没有影响。

  2)隔膜:大部分商业化的锂电池隔膜都是利用PE,PP,其他聚烯烃及它们的混合物或者共聚物,通过干法或湿法工艺制备得到。在锂电池中,隔膜吸收电解液后,可隔离正、负极,以防止短路,但同时还要允许锂离子的传导。而在过度充电或者温度升高时,隔膜还要有高温自闭性能,以阻隔电流传导防止爆炸。不仅如此,锂电池隔膜还要有强度高、防火、耐化学试剂、耐酸碱腐蚀性、生物兼容性好、无毒等特点。我们正进行以氧化石墨烯通过静电纺织方式作成隔膜,在实际应用中,用作隔膜的高分子电阻率在10E12~10E14Ωcm量级值得一试。

  第九,当2017年石墨烯再降到每公斤80美元时,就可以让电池市场快速导入应用的说法正确吗?

  答:错的很离谱。提出这点观点的业者是还停留在量产能力就等于应用技术成熟的迷思,我们的制备成本早就低于每公斤80美元,重点是符合应用技术的客制化石墨烯,这类公司只能生产一二类石墨烯怎幺做能源产业呀,难怪从2009年就投入锂电池开发一直没有甚幺成效。

  第十,华为手机产品线副总裁李昌竹,在2015年移动智能终端峰会上透露,可能在2016年下半年使用石墨烯电池技术可行吗?

  答:很难。如果说电池技术要发表,至少现在已经有样品做测试了。进一步观察一个手机厂是否会有创新性电池技术,就看他有没有投资电池厂,还是买现成的电池技术。我接触过的大厂普遍有个闭门造车的心态,就是买石墨烯回来自己试,但石墨烯的学问那幺深奥,岂是一间渠道公司能够掌握的。

  这篇文章我们就先来谈谈“锂离子电池”,其它几类能源怎么应用石墨烯,只要响应好我就继续再写下去。

  在没进入主题针对石墨烯应用于各类能源产品前,我们先回顾中国在石墨烯锂电池的“旧闻”~2015年上市的一款名为开拓者α的手机,就采用由中国科学院重庆绿色智慧技术研究院和中国科学院宁波材料技术与工程研究所开发的石墨烯触摸屏、电池和导热膜等新材料,手机触控屏幕不偏色不泛黄,色彩真实、纯净,通透性也比传统屏幕好,手机充电速率提高了40%,电池寿命延长了50%,电池的能量密度也增加10%。从这可以看出,采用石墨烯材料的电极虽然大幅提升了电池寿命和电池充电速度,但因石墨烯材料本身具有的高比表面积等性质,与现在的锂离子电池工业的技术体系无法兼容,能量密度并没有实现理论上的翻倍,仅仅提升了10%。

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