石墨烯在不同領域的應用分析

來源:前瞻產業研究院

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關鍵詞:石墨烯 鋰離子電池 超級電容器

    ?石墨烯作為21世紀發現的物理、化學性能最為優異的材料,在能量存儲、半導體制備、生物醫藥等領域的應用被寄于厚望。目前的研究熱點是石墨烯在能量存儲和轉換領域的應用,如鋰離子電池、超級電容器等。



    石墨烯在鋰離子電池中的應用


    鋰離子電池由索尼公司第一次商業化應用,具有電池容量大、能量密度高、自放電低、工作溫度圍寬的優點,在日常生活中得到了廣泛的應用。數據顯示,2017年,我國鋰電池行業消費量達到9.15萬噸,同比增長8.80%。



    目前石墨烯在鋰離子電池中的應用主要有三個方面,分別為作為負極材料、正極材料以及導電添加劑。


    石墨烯在鋰電子電池負極材料中的應用最為成熟,目前已經相繼在石墨烯改性硅基材料、石墨烯改性錫基氧化物、石墨烯改性過渡金屬類材料、石墨烯改性其他碳材料等改性材料作為鋰電池負極材料應用中取得進展。


    石墨烯在鋰離子電池正極材料中的應用近年來也得到了廣泛關注,主要是石墨烯二維高比表面積的特殊結構以及其優異的電子傳輸能力。目前研究者已經發現改性LiFePO4石墨烯具有良好的導電性能。開發出導電性更好的改性材料是未來石墨烯在正極材料應用中的技術研發重點。


    而石墨烯作為導電添加劑的研究工作目前尚處于初級階段,相關研究還局限在低倍率條件下的循環性能和比容量的提高,未來研究方向將會在高倍率條件下的循環性能和比容量的提高。


    石墨烯在超級電容器中的應用


    超級電容器是一種介于電池和傳統靜電電容器之間的新一代能源裝置,因為充放電的過程始終只涉及物理變化,所以超級電容器具有性能穩定、充電時間短、循環次數多、電容量大等特點,在能源存儲、電動工具、交通設備、動力設備、通信等領域具有非常廣闊的應用前景。



    石墨烯在超級電容器的應用,可顯著提高能量密度。受到電極材料的制約,現有超級電容器能量密度大都低于50Wh/kg。石墨烯的比表面積為2630m2/g,將其應用于超級電容電極材料,可顯著提高超級電容器的能量密度。目前已有實驗室成果做到儲能密度達170Wh/kg,大大超過現有超級電容器的能量密度。但是在電容器組裝過程中,因為石墨烯團聚現象的存在,使得相應超級電容器的能量密度受限,現有研究方向是通過改變電解液種類、石墨烯形貌以及石墨烯基復合電極材料為主。



    目前石墨烯電容器尚處于研發階段,但就已有的技術發展來看,超級電容器的技術難度并不十分高,制造成本也相對較低,未來產業化前景可期。


    石墨烯在其它領域的應用


    石墨烯因其優異的電化學特性,除了在鋰離子電池、超級電容器中應用之外,還被用于其它領域。


    例如,利用石墨烯超高的電子遷移特性制備太陽能電池材料,以大幅度提高太陽能的轉化效率;利用石墨烯超強優異的柔韌特性,制備柔性材料,用于柔性顯示器、可穿戴設備等;利用石墨烯對生物的低毒性及極高的載流子傳輸能力制備藥物載體,使得石墨烯在生物醫藥和生物診斷方面具有廣闊的應用前景;借助石墨烯優異的物理化學穩定性,石墨烯基重防腐涂料已經進入產業示范應用階段;石墨烯因極高的導熱特性及特殊的孔隙結構還被用作制備高效熱電材料以及海水淡化等領域。


    可以預見,石墨烯在未來各個領域都有極其重要的應用價值,發展前景廣闊,市場潛力巨大。

    (審核編輯: Doris)

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