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石墨烯在锂電池領域的發展動力與阻力何在?

石墨烯因其在電學、力學、導熱散熱、光學、高比表面積等方面表現出優異的性能,使其在電子信息、儲能、節能環保、航空航天等領域擁有巨大的應用潛能,成為近年來的研發熱點之一。

随着産業的發展,國家政策以市場為導向,逐步進行調整,多部門合力推進,發布了一系列相關政策進行系統布局。據CGIA Research統計,2012年至2017年間,國家層面相關政策數量達20餘條,地方層面相關政策數量達140餘條。

曆年石墨烯相關政策數量

石墨烯在锂電池領域的發展動力與阻力何在?

數據來源:網絡

在産業化推進方面,近幾年來,國内已經有很多市場化的石墨烯産品問世,其中應用于锂電領域的石墨烯導電漿料生産企業有:東莞鴻納青島昊鑫華高等,石墨烯行業實現了從“講故事”到“賣産品”這一質變的跨越。

技術專利支持:國内石墨烯專利主要集中在锂離子電池領域

中國石墨烯應用技術專利領域分布(單位 %)

石墨烯在锂電池領域的發展動力與阻力何在?

數據來源:前瞻經濟學人

近年來,中國在石墨烯應用技術方面的研究持續增長,主要集中在儲能、電子器件、水處理、氣體處理、化工、醫療、檢測、航空航天等。化工、儲能和電子器件領域的石墨烯相關專利申請數量占比位居前三,三者合計占比接近90%,成為國内石墨烯應用的主要領域。

中國石墨烯儲能應用技術專利細分領域TOP10(單位:個)

石墨烯在锂電池領域的發展動力與阻力何在?

石墨烯專利在儲能領域中主要集中在锂離子電池領域,锂離子電池相關的專利數為3077個,占據市場份額的40%以上。锂離子電池領域技術研發較多的原因在于,石墨烯具有優良的導電性、能夠緩解電極材料的體積膨脹等,從而大幅提高動力電池的性能,因此石墨烯在锂離子電池的正極、負極、集流體、隔膜、導電添加劑等方面應用較廣,未來市場前景尤為廣闊。

其次,超級電容方面的專利數也較多,為1331個,占比為17.5%

锂電市場向好:中國锂電池行業市場前景向好

我國是锂離子電池最主要的生産國之一。2014年,我國锂離子電池産量達52.87億隻,占全球總産量的71.2%,已連續10年位居全球首位。截止至2018年底,我國锂離子電池産量達到139.87億隻,比2014年增長了一倍多。伴随锂電池生産廠家在技術上的革新,性能和安全性的提升,人們對锂電池的需求仍會不斷增長,預計到2024年,我國锂電池行業市場規模将超過1500億元。

2016-2024年我國锂離子電池行業市場規模統計情況及預測

石墨烯在锂電池領域的發展動力與阻力何在?

數據來源:前瞻經濟學人

機遇與困難并存:石墨烯在锂電池領域應用仍存不足

目前石墨烯在锂電池中的添加形式主要有導電添加劑、電極複合材料及直接作為負極材料三種形式。其中,石墨烯導電添加劑的導電、放電性能遠遠優于傳統導電劑,其在制備過程中不涉及複雜的合成過程,因此可控性較強,難度較低,成功率較高,目前石墨烯導電劑研發技術已經相對成熟。

據石墨烯産業聯盟數據顯示,2017年石墨烯導電劑價格為230美元/千克,與碳納米管導電劑價格大緻相同,預計到2020年石墨烯導電劑價格将降至113美元/千克,而碳納米管價格将維持在200美元/千克的水平,石墨烯導電劑的價格優勢将逐步顯現。

石墨烯在锂離子電池領域應用仍存一些問題:

1 石墨烯制備過程中片層容易堆積,降低了理論容量。

2 首次循環庫倫效率較低,大量锂離子嵌入後無法脫出,降低電解質和正極材料的活性。

3 锂離子的重複嵌脫使得石墨烯片層結構更加緻密,锂離子嵌脫難度加大而使得循環容量降低。

4 石墨烯振實密度較低,降低電池的功率密度。

為了能夠滿足在實際運用中對電池的循環壽命、快速大電流充放電、高比容量等需求,仍需要加強以下幾個方面的研究:

為材料的商品化大規模生産應用,需注重石墨烯的制備工藝的低成本化,設計大規模生産石墨烯的制備工藝;

提高石墨烯及其複合電極材料的高倍率性能和循環壽命,使其能滿足實際應用需求。

深入研究石墨烯的儲锂機理及其複合材料中的微觀形貌與電化學性能之間的關系, 深入研究石墨烯的尺寸結構缺陷以及孔徑等對電化學性能的影響。

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