石墨如何在鋰離子電池中發(fā)揮作用？

鋰離子電池的關(guān)鍵原材料石墨在2015年媒體預(yù)測石墨需求量大，所以要滿足電動(dòng)汽車用鋰離子電池的增長需求。由于大型電動(dòng)車電池需要大約25千克（55磅）的石墨用于鋰離子陽極，因此推測石墨可能供不應(yīng)求。雖然價(jià)格和消費(fèi)一直低迷，但有跡象表明需求正在縮小。

石墨來自希臘語“graphein”。它具有耐熱性，導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，化學(xué)鈍化（耐腐蝕），比鋁輕。除鋰離子陽極外，高級石墨還用于燃料電池，太陽能電池，半導(dǎo)體，LED和核反應(yīng)堆。生產(chǎn)純度為99.99％的陽極級石墨是昂貴的，并且該過程產(chǎn)生浪費(fèi)。最終成本不是材料，而是純化過程?；厥张f的鋰離子以回收石墨不會解決這個(gè)問題，因?yàn)檫@是一個(gè)繁瑣的凈化過程。

碳和石墨是相關(guān)物質(zhì)。石墨是碳的同素異形體，是通過以不同方式將元素結(jié)合在一起而發(fā)生的結(jié)構(gòu)修飾。石墨是最穩(wěn)定的碳形式。鉆石是一種亞穩(wěn)態(tài)碳同素異形體，以其優(yōu)異的物理性質(zhì)而聞名，不如石墨穩(wěn)定，石墨是柔軟和可塑的。碳纖維的直徑約5-10微米，是人類頭發(fā)厚度的十分之一。碳原子在微觀晶體中結(jié)合在一起并且非常堅(jiān)固。它們以紡織品方式編織并與聚合物基質(zhì)混合，聚合物基質(zhì)是一種硬化形式的碳纖維，與鋼一樣堅(jiān)固但更輕。這些材料用于高爾夫球桿和自行車車架，以及汽車和飛機(jī)的車身部件以取代鋁。波音787和空中客車350X廣泛使用碳纖維。目前，電池用石墨僅占全球需求的5％。

石墨有兩種形式：來自礦山的天然石墨和來自石油焦的合成石墨。兩種類型都用于鋰離子陽極材料，55％傾向于合成和天然石墨的平衡。制造商首選合成石墨，因?yàn)樗哂袃?yōu)于天然石墨的稠度和純度。這種情況正在發(fā)生變化，通過現(xiàn)代化學(xué)純化工藝和熱處理，天然石墨的純度達(dá)到99.9％，而合成當(dāng)量的純度達(dá)到99.0％。純化的天然鱗片石墨具有更高的晶體結(jié)構(gòu)，并且比合成材料具有更好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。改用天然石墨可降低生產(chǎn)成本，同時(shí)具有相同或更好的鋰離子性能。鋰離子合成石墨每噸售價(jià)約10,000美元，而天然鱗片制成的球形石墨售價(jià)7,000美元（2015年價(jià)格）。未加工的天然石墨便宜得多，除了成本之外，天然石墨比合成石墨更環(huán)保; 它也是石墨烯的基礎(chǔ)，是科學(xué)家的夢想。截至2016年底，天然石墨占市場份額的60-65％; 合成成分約為30％，而鈦酸鋰，硅和錫等替代品約為5％。

石墨烯

石墨烯是二維六方晶格形式的碳的同素異形體。石墨烯呈現(xiàn)在一片純碳中，只有一個(gè)原子厚。它靈活，透明，不透水分，比鉆石更堅(jiān)固，比金更具導(dǎo)電性。專家暗示石墨烯是一種奇跡材料，可以改善許多產(chǎn)品，包括電池。據(jù)說石墨烯陽極比石墨陽極更好地保持能量，并且保證充電時(shí)間比目前鋰離子電池的速度快十倍。

對于傳統(tǒng)的石墨陽極，鋰離子積聚在陽極的外表面周圍。通過使鋰離子穿過尺寸為10-20nm的石墨烯薄片的微孔，石墨烯具有更優(yōu)雅的解決方案。這保證了最佳的存儲區(qū)域和易于提取。一旦可用，估計(jì)這種電池比具有常規(guī)石墨陽極的鋰離子電池存儲的電能多十倍。通過向陰極添加氧化釩實(shí)現(xiàn)石墨烯的進(jìn)一步改進(jìn)。據(jù)說具有這種增強(qiáng)功能的實(shí)驗(yàn)電池在20秒內(nèi)再充電，并在1000次循環(huán)后保持90％的容量。石墨烯也在超級電容器中進(jìn)行測試，以提高比能量密度，以及太陽能電池。下圖顯示了使用掃描探針顯微鏡（SPM）可見的石墨烯的獨(dú)特晶格。

掃描探針顯微鏡（SPM）顯示石墨烯的圖像

幾十年來，科學(xué)家們對石墨烯的奇跡進(jìn)行了理論研究，但沒有商業(yè)產(chǎn)品專門使用這種明顯的奇跡材料。石墨烯的奇跡很可能在鉛筆和其他產(chǎn)品中不知不覺地被使用了幾個(gè)世紀(jì)，所以要更好地了解其機(jī)制，最終將導(dǎo)致產(chǎn)品的改進(jìn)。