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石墨烯材料助力 锂离子电池性能更上一层楼

导读: 锂离子电池具有高能量密度、无记忆效应等优点,自问世以来,即迅速取代镍镉及镍氢等传统二次电池的地位。不过,目前锂电池技术已遇上瓶颈,必须在正极材料上取得突破,功率密度才有机会显着提升。石墨烯材料正是让锂电池性能更上一层楼的关键所在。

  锂离子电池具有高能量密度、无记忆效应等优点,自问世以来,即迅速取代镍镉及镍氢等传统二次电池的地位。不过,目前锂电池技术已遇上瓶颈,必须在正极材料上取得突破,功率密度才有机会显着提升。石墨烯材料正是让锂电池性能更上一层楼的关键所在。锂离子电池具有高能量密度、无记忆效应等优点,自问世以来,即迅速取代镍镉及镍氢等传统二次电池的地位。自1991年日本索尼(Sony)率先将其商品化后,市场占有率持续增加,仅仅数十年,全球产值就超过镍镉和镍氢电池的总和。随着对现有材料和电池设计技术的改进以及新材料的出现,锂离子电池应用领域一直不断地被拓展,尤其是近年来3C电子产品不断追求轻、薄、短、小,锂离子电池已成为最佳的选择。如今全球锂电池应用市场需求规模有二成以上稳定的成长,如图1所示,除了既有的智慧型手机和平板电脑市场外,锂电池的应用已深化在行动电源、不断电系统与电动汽机车等的应用上。在资源逐渐耗竭及环保意识高涨的年代,替代性能源日益受到重视,环保节能的电动车更将是未来汽车进化的新趋势与共识,而各国也积极投入资源进行电动车最关键零组件,动力电池的开发。全球电动车龙头特斯拉(Tesla)已经宣布与日本Panasonic进行合作,共同在美国新建电池芯生产厂。到2020年,这家超级电池工厂(Gigafactory)每年生产的电池可供50万辆电动汽车使用,超过2013年全球电池工厂的产能总和。

石墨烯材料助力 锂离子电池性能更上一层楼

  图1全球锂电池不同应用市场容量需求分布单位:百万瓦时MWh如图2所示,根据IEK所做电动车用锂电池预估,整体电动车用锂电池市场将自2011年起有明显的成长,至2018年为止,各种应用锂离子电池为动力来源的电动车将有爆发性成长。

石墨烯材料助力 锂离子电池性能更上一层楼

  图2全球车用动力电池市场规模单位:百万瓦时MWh因此,不论锂离子电池的用途为何,随着需求与规格不断的提高,国际大厂莫不积极寻找提高性能的解决方案,而这样殷切地期盼也给石墨烯(Graphene)进入锂离子电池应用带来最佳契机。

  石墨烯电学性能佳电池应用有潜力

  石墨烯的命名是用以描述碳原子排列成单层蜂巢状的二维晶体,以sp2混成轨域组成,厚度仅一个碳原子直径的0.34nm,是目前世界上最薄也是最坚硬的材料。其独特的性质在力学表现方面,仅仅一个原子层的厚度,却拥有130GPa的拉伸强度,远高于不锈钢百倍以上,比重却仅约钢铁的四分之一;热学性质方面,石墨烯在热传导系数的表现,甚至超越任何已知的材料,自由悬浮、无基材承载的石墨烯,可以量测到2000~4000W/mK的优秀数值,超过钻石及其他任何金属材料;光学性质方面,单层的石墨烯在所有波长范围的光穿透度都达到97.7%,仅仅随着石墨烯的层数增加而减少,可说是几乎完全透明的材料;电学性质方面,电阻率来到10-6Ω.cm,较铜与银都低,为目前已知材料中于室温下电阻最低且电子迁移率高达2.105cm2/V.s,是矽的10倍以上。

  这些独特的电荷机械性质使得加入石墨烯的复合材料更多功能化,不但表现出优异的力学及电学性能,还具有优良的加工性能,为材料应用领域开启了新的篇章。

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