硅-石墨烯負極，如何融合最佳的兩種鋰電池負極材料
分類：前沿資訊
- 作者：謝偉
- 發(fā)布時間：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)，將如何融合這兩個最佳的負極材料？
在美國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，簡稱G3，由臺灣籍的華人教授張博增創(chuàng)立。張博增1976年從臺灣前往美國求學(xué)，后來在丹頓市的萊特州立大學(xué)擔任教授多年，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。在這篇專利申請中，張博增清楚地闡述了單原子層及多層石墨烯的制備過程。這是全球最早的關(guān)于單層石墨烯、石墨烯增強金屬基、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)過十多年的努力，將石墨烯的市場價格從最早的每克幾百美元降到了每公斤幾百美元，降幅超過上千倍。2016年，他的團隊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，他總共申請了580多項專利，被公認為全世界石墨烯創(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G3公司，開始集中優(yōu)勢資源進行新一輪的技術(shù)創(chuàng)新。G3公司2017年開始瞄準鋰電池的硅負極材料，利用自己的技術(shù)優(yōu)勢開始研發(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2000-2600 mAh/g，首次循環(huán)效率可達88%。而普通石墨負極材料的最高能量密度也只有372mAh/g，因此其各項參數(shù)都非常優(yōu)秀。不過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)合材料低是因為顆粒的硅含量有所降低，而首次循環(huán)效率低則是因為氧化硅會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)合負極材料時一共采用了三項創(chuàng)新技術(shù)。首先是硅-石墨烯微球的獨特設(shè)計，這個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能夠充分膨脹，但是不會擠壞它周圍的石墨烯外殼。
第二項創(chuàng)新是硅-石墨烯微球的保護性外殼涂層，這個涂層采用高彈性的高分子材料，即使微球在充電時膨脹，高分子涂層因其良好的彈性也不會被破壞；而等到放電時微球縮小，高分子涂層能跟著一起變小。涂層的另一個作用是隔絕硅-石墨烯與電解液的接觸，硅和石墨烯在充電時都會與電解液反應(yīng)，所以這個涂層充當了人工電解液固體界面保護膜的作用，保持負極的能量密度不會損失太多。
第三項創(chuàng)新則是使用高彈性的導(dǎo)電高分子粘接劑。通常情況下，微球顆粒因為充放電的反復(fù)膨脹收縮，逐漸會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，高分子會彌補微球收縮時形成的空隙，從而保持與微球的緊密聯(lián)系，即保持良好的導(dǎo)電性。
通過以上創(chuàng)新技術(shù)，G3公司的新型負極材料未來可將鋰電池的能力密度最高提升到400kW/h，其單層電池已在實驗室環(huán)境下成功測試超過800次循環(huán)，可滿足動力電池的壽命要求。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，爭取在2021將產(chǎn)能擴大到1000噸/年，以滿足飛速增長的電動車動力電池的材料需求。
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參考文獻：
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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作者簡介：
謝偉博士，清華大學(xué)材料學(xué)學(xué)士和碩士，美國德克薩斯大學(xué)（奧斯汀）化學(xué)工程博士。主要從事儲能電池開發(fā)工作，先后在跨國企業(yè)及初創(chuàng)公司任要職，主持多項美國能源部資助研發(fā)項目，獲得2013年全美年度100最佳研發(fā)技術(shù)大獎。在材料學(xué)及儲能領(lǐng)域頂級期刊發(fā)表論文17篇，擔任5家國際期刊審稿工作，擁有國際發(fā)明專利申請17項。
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