硅-石墨烯負(fù)極，如何融合最佳的兩種鋰電池負(fù)極材料
分類：前沿資訊
- 作者：謝偉
- 發(fā)布時(shí)間：2021-04-05
【概要描述】由全球石墨烯創(chuàng)新第一人創(chuàng)立的G3公司，已有多年石墨烯規(guī)模產(chǎn)能?，F(xiàn)在開始轉(zhuǎn)向硅-石墨烯復(fù)合材料生產(chǎn)，將如何融合這兩個(gè)最佳的負(fù)極材料？
在美國(guó)俄亥俄州的丹頓市有家做石墨烯起家的公司叫Global Graphene Group環(huán)球石墨烯集團(tuán)，簡(jiǎn)稱G3，由臺(tái)灣籍的華人教授張博增創(chuàng)立。張博增1976年從臺(tái)灣前往美國(guó)求學(xué)，后來(lái)在丹頓市的萊特州立大學(xué)擔(dān)任教授多年，集中精力研究石墨烯的制造與應(yīng)用。他在2002年申請(qǐng)了全球第一篇有關(guān)石墨烯組成、生產(chǎn)工藝及應(yīng)用技術(shù)的專利。在這篇專利申請(qǐng)中，張博增清楚地闡述了單原子層及多層石墨烯的制備過(guò)程。這是全球最早的關(guān)于單層石墨烯、石墨烯增強(qiáng)金屬基、樹脂基、碳基及陶瓷基復(fù)合材料的專利。
他于2007年創(chuàng)立了AngstronMaterials公司，即G3公司的前身，開始尋求石墨烯的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。經(jīng)過(guò)十多年的努力，將石墨烯的市場(chǎng)價(jià)格從最早的每克幾百美元降到了每公斤幾百美元，降幅超過(guò)上千倍。2016年，他的團(tuán)隊(duì)在廈門成立了一家合資公司——恒力盛泰石墨烯科技有限公司，開始在中國(guó)量產(chǎn)石墨烯。在他幾十年的科研與創(chuàng)業(yè)歷程里，他總共申請(qǐng)了580多項(xiàng)專利，被公認(rèn)為全世界石墨烯創(chuàng)新第一人。
2016年，張博增整合了他創(chuàng)立和合作的幾家石墨烯公司，成立了環(huán)球石墨烯集團(tuán)G3公司，開始集中優(yōu)勢(shì)資源進(jìn)行新一輪的技術(shù)創(chuàng)新。G3公司2017年開始瞄準(zhǔn)鋰電池的硅負(fù)極材料，利用自己的技術(shù)優(yōu)勢(shì)開始研發(fā)硅-石墨烯復(fù)合材料，并迅速推出兩款產(chǎn)品：硅-石墨烯復(fù)合材料，氧化硅-石墨烯復(fù)合材料。
硅-石墨烯復(fù)合材料采用石墨烯包裹硅納米顆粒形成微球，如下圖所示。微球尺寸一般在3到15微米，其能量密度可達(dá)2000-2600 mAh/g，首次循環(huán)效率可達(dá)88%。而普通石墨負(fù)極材料的最高能量密度也只有372mAh/g，因此其各項(xiàng)參數(shù)都非常優(yōu)秀。不過(guò)考慮到采用純硅納米顆粒的成本較高，他們也推出了另一款氧化硅-石墨烯復(fù)合材料。
氧化硅-石墨烯復(fù)合材料采用石墨烯包裹氧化硅納米顆粒形成微球，如下圖所示。微球尺寸一般在3到15微米，其能量密度降低到1000-1800 mAh/g，首次循環(huán)效率則降至74%。其能量密度比純硅復(fù)合材料低是因?yàn)轭w粒的硅含量有所降低，而首次循環(huán)效率低則是因?yàn)檠趸钑?huì)永久性地消耗一部分鋰離子，從而使得首次循環(huán)效率大大降低。
G3公司在研發(fā)硅-石墨烯復(fù)合負(fù)極材料時(shí)一共采用了三項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)。首先是硅-石墨烯微球的獨(dú)特設(shè)計(jì)，這個(gè)微球并非石墨烯緊密地包裹硅顆粒，而是引入了一些空隙在硅顆粒周圍，這樣就預(yù)留出一部分空間讓硅顆粒充電變大時(shí)能夠充分膨脹，但是不會(huì)擠壞它周圍的石墨烯外殼。
第二項(xiàng)創(chuàng)新是硅-石墨烯微球的保護(hù)性外殼涂層，這個(gè)涂層采用高彈性的高分子材料，即使微球在充電時(shí)膨脹，高分子涂層因其良好的彈性也不會(huì)被破壞；而等到放電時(shí)微球縮小，高分子涂層能跟著一起變小。涂層的另一個(gè)作用是隔絕硅-石墨烯與電解液的接觸，硅和石墨烯在充電時(shí)都會(huì)與電解液反應(yīng)，所以這個(gè)涂層充當(dāng)了人工電解液固體界面保護(hù)膜的作用，保持負(fù)極的能量密度不會(huì)損失太多。
第三項(xiàng)創(chuàng)新則是使用高彈性的導(dǎo)電高分子粘接劑。通常情況下，微球顆粒因?yàn)槌浞烹姷姆磸?fù)膨脹收縮，逐漸會(huì)與周圍的普通粘接劑失去連接，從而形成電路斷開。改用高彈性的高分子粘接劑后，高分子會(huì)彌補(bǔ)微球收縮時(shí)形成的空隙，從而保持與微球的緊密聯(lián)系，即保持良好的導(dǎo)電性。
通過(guò)以上創(chuàng)新技術(shù)，G3公司的新型負(fù)極材料未來(lái)可將鋰電池的能力密度最高提升到400kW/h，其單層電池已在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下成功測(cè)試超過(guò)800次循環(huán)，可滿足動(dòng)力電池的壽命要求。公司此前已在丹頓市形成一定的石墨烯產(chǎn)能，因此借助已有設(shè)施，可以迅速轉(zhuǎn)型生產(chǎn)硅-石墨烯復(fù)合材料。公司目前在丹頓市的產(chǎn)能為25噸/年，爭(zhēng)取在2021將產(chǎn)能擴(kuò)大到1000噸/年，以滿足飛速增長(zhǎng)的電動(dòng)車動(dòng)力電池的材料需求。
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參考文獻(xiàn)：
1. GlobalGraphene Group公司官網(wǎng)www.theglobalgraphenegroup.com
2. OnDemand Webinar- Si-Anode EV Battery Technology, https://www.theglobalgraphenegroup.com/on-demand-webinar-si-anode-ev-battery-technology/
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作者簡(jiǎn)介：
謝偉博士，清華大學(xué)材料學(xué)學(xué)士和碩士，美國(guó)德克薩斯大學(xué)（奧斯?。┗瘜W(xué)工程博士。主要從事儲(chǔ)能電池開發(fā)工作，先后在跨國(guó)企業(yè)及初創(chuàng)公司任要職，主持多項(xiàng)美國(guó)能源部資助研發(fā)項(xiàng)目，獲得2013年全美年度100最佳研發(fā)技術(shù)大獎(jiǎng)。在材料學(xué)及儲(chǔ)能領(lǐng)域頂級(jí)期刊發(fā)表論文17篇，擔(dān)任5家國(guó)際期刊審稿工作，擁有國(guó)際發(fā)明專利申請(qǐng)17項(xiàng)。
中和儲(chǔ)能公司簡(jiǎn)介：
深圳市中和儲(chǔ)能科技有限公司，立足于研發(fā)、推廣與應(yīng)用儲(chǔ)能技術(shù)，旨在通過(guò)電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用助力于實(shí)現(xiàn)中國(guó)“碳中和”的目標(biāo)。發(fā)展初期，公司專注利用在儲(chǔ)能領(lǐng)域已經(jīng)積累多年的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)及杰出的研發(fā)能力向中國(guó)儲(chǔ)能市場(chǎng)提供技術(shù)支持與咨詢服務(wù)。同時(shí)，公司著重于對(duì)中國(guó)儲(chǔ)能市場(chǎng)進(jìn)行調(diào)查與分析，為中國(guó)市場(chǎng)研發(fā)或引入最先進(jìn)、最有效的儲(chǔ)能技術(shù)。
公司技術(shù)研究與發(fā)展方向：水性儲(chǔ)能電池，鋰離子電池材料，燃料電池，離子交換膜，涂料與粘接劑，膜分離技術(shù)。
國(guó)內(nèi)業(yè)務(wù)：液流電池與高能量密度鋰離子電池技術(shù)合作、學(xué)術(shù)交流、公司技術(shù)研發(fā)方向的技術(shù)講座、研發(fā)咨詢、及論文寫作指導(dǎo)。