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石墨烯在新能源领域的应用

现阶段石墨烯在新能源行业的潜在应用主要集中在锂离子电池和超级电容器领域,但是随着行业的发展,其下游领域不断拓宽,在推动传统产业升级方面的作用逐渐显现。

石墨烯-锂电池行业
  随着制备技术日趋成熟以及下游需求逐渐打开,石墨烯材料对传统材料的替代将加快,在锂电池材料领域具有广泛的应用空间。锂离子电池作为二次电池,性能优异、应用领域广,但受限于其电极材料的结构与电解质的性能,锂离子电池的功率性能相对较弱,针对动力锂离子电池,这一点表现得尤为突出。因而如何提高锂离子电池的功率密度并进一步增大其能量密度是当前研究的热点,同时也是难点。将石墨烯应用到锂离子电池中可以显著提升电池相关性能。在负极复合材料中,石墨烯不仅可以缓冲材料在充放电过程中的体积效应,还可以形成导电网络提升复合材料的导电性能,提高材料的倍率性能和循环寿命。通过优化复合材料的微观结构,例如夹层结构或石墨烯片层包覆结构,可进一步提高材料的电化学性能。在正极复合材料中,石墨烯形成的连续三维导电网络可有效提高复合材料的电子及离子传输能力。此外,相比于传统导电添加剂,石墨烯导电剂的优势在于能用较少的添加量,达到更加优异的电化学性能。


各省市石墨烯锂离子电池相关企业省份热力分布图

石墨烯-超级电容器行业
  石墨烯超级电容器具有优异的储能性能,因此在能源、汽车、信息技术等多领域使用,并从目前的发展趋势来看,未来将向交通运输、新能源领域(风能、太阳能发电智能并网等)扩大。石墨烯理论比表面积2630m2/g,高于碳纳米管等其他碳材料。它结构完美,其外露的表面可以被电解液充分地浸润和利用,具有高的比容量,并适合于大电流快速充放电;它物理化学性质稳定,能在高工作电压下保持结构稳定;同时它具有优异的导电性能,可以促进离子/电子快速传递,降低内阻,提高超级电容器的循环稳定性。尽管当前石墨烯价格相对较高,但是随着制备技术的不断成熟,未来其价格会逐渐降低。因此,石墨烯被认为是高电压、高容量、高功率超级电容器电极材料的选择之一。


不同超级电容器材料的性能参数对比

石墨烯-铅酸电池行业
  近年来对炭材料加入铅酸电池负极对铅酸电池性能的影响研究发现,炭材料的加入能够提高电池负极的导电性,限制硫酸铅晶体颗粒的生长,有利于易溶解小颗粒硫酸铅的形成,在高倍率放电状态下,促进硫酸溶液更容易且更深地渗透入负极活性物质中,从而提高铅酸电池在高倍率部分荷电态(HRPSoC)的循环寿命。石墨烯是单原子层的石墨结构,是碳的二维同素异形体,碳原子按六边形排列,可与活性物质形成“面–面”接触。石墨烯具有许多优异的性能,如较好的柔韧性、极小的电阻率、极大的比表面积,稳定的化学性质等,石墨烯的加入可使铅酸电池性能大幅提高。目前石墨烯在铅酸蓄电池领域的应用及产业化均取得了很大的突破。



随着新能源行业的发展,石墨烯在该领域的应用也将迎来新纪元,在锂电池、超级电容器、铅酸电池、太阳能电池及其他电池中具有广阔的应用前景......

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