BU-309:石墨在锂离子中如何工作?

了解锂离子的关键原料

2015年,媒体预测石墨需求旺盛,以满足电动汽车使用的锂离子电池的增长。人们猜测石墨可能会供应不足,因为一个大型电动汽车电池需要大约25公斤(55磅)石墨作为锂离子阳极。尽管价格和消费一直低迷,但有迹象表明需求正在收紧。

生产纯度为99.99%的阳极级石墨是昂贵的,而且这个过程会产生浪费。最终的成本不是材料,而是净化过程。由于净化过程繁琐,回收旧锂离子来回收石墨并不能解决这个问题。

碳和石墨是相关物质。石墨是碳的同类型,是通过以不同方式粘合元素而发生的结构改性。石墨是最稳定的碳形式。金刚石,碳的含量为优异的物理品质,不如石墨稳定;但是石墨是柔软的和可延展的。

石墨来自希腊语“graphein”。它耐热,导电和导热,化学无源(耐腐蚀),比铝轻。除了锂离子阳极,高级石墨还用于燃料电池、太阳能电池、半导体、led和核反应堆。

碳纤维是直径约5-10μm的长,薄的股线,人头发的厚度为10。碳原子以微观晶体键合在一起,极强。它们以纺织方式编织并与聚合物基质混合,这是一种硬化形式的碳纤维,其与钢一样强化但更轻。这些材料用于高尔夫俱乐部和自行车框架,以及汽车和飞机的身体部位以更换铝。波音787和空中客车350X的碳纤维进行了广泛的使用。电池的石墨目前仅占全球需求的5%。

石墨有两种形式:来自矿山的天然石墨和来自石油焦的合成石墨。这两种类型的锂离子负极材料,55%的引力向合成,平衡向天然石墨。

制造商首选合成石墨,因为它的浓度和纯度优于天然石墨。这种情况正在改变,通过现代化学净化工艺和热处理,天然石墨的纯度达到了99.9%,而合成石墨的纯度为99.0%。

纯化的天然鳞片石墨具有更高的晶体结构,并比合成材料提供更好的电导率和导热性。改用天然石墨将降低生产成本,同时具有同样或更好的锂离子性能。锂离子合成石墨的售价约为1万美元/吨,而由天然薄片制成的球形石墨的售价为7000美元/吨(2015年的价格)。

未经加工的天然石墨要便宜得多,除了成本外,天然石墨比合成石墨更环保;它也是科学家梦想中的石墨烯的基础。2016年底,天然石墨占市场份额60-65%;合成的占30%左右,替代品如钛酸锂,硅和锡约为5%。

研究实验室使用人造石墨报告循环寿命的改进。人造石墨类似于合成图,但成本和可制造性尚不清楚。2019年发布的测试结果揭示了循环生活中的显着改善,这是对循环生活的一个问题电动汽车

环境问题:石墨行业受到压力以减少污染水平。加工天然薄片石墨和合成石墨可以污染植物附近的危险颗粒的空气。减少通过处理天然片石墨的废水作为纯化的一部分作为球形石墨也是一个问题。

球形石墨主要是用纯度为99.95%的鳞片石墨精制而成。随着未来十年锂离子需求的快速增长,问题出现在是否有能力提供足够的球状石墨来满足需求。球形石墨比中小型鳞片精矿的成本高3-4倍。这部分成本是由严格的环境要求造成的,因为精炼过程使用强酸。

这些石墨材料几乎专门用于锂离子电池中的阳极。印度和中国的石墨很大。由于锂离子改善,过程变得更加复杂,这也涉及环境保护。(看BU-1002B:电动动力系的环境效益.)

目前的净化方法主要在中国进行,需要大量的化学品,具有负面的环境影响。在不久的将来,可以用新的绿色技术(如水电)来完成净化。

虽然人们努力减轻对环境的影响,但天然石墨和合成石墨的供应都受到限制。这种阻力反映在从2017年开始的石墨材料价格上,预计将持续到2020年,因为工厂正在翻新。


石墨烯

石墨烯是二维六边形格子形式的碳的同类型。呈现在一片纯碳中,石墨烯只有一个厚度。它柔韧、透明、不透湿、比钻石更坚固、比黄金更导电。专家暗示石墨烯作为奇迹材料,可改善许多产品,包括电池。

据说石墨烯阳极比石墨阳极拥有更好的能量,并承诺充电时间比目前的锂离子快10倍。加载能力也应该得到改善;更好的寿命是另一个需要被证明的愿望清单。

在传统的石墨阳极中,锂离子聚集在阳极的外表面。石墨烯有一个更优雅的解决方案,它使锂离子能够通过石墨烯薄片上的小孔,尺寸为10-20nm。这保证了最佳的存储区域和容易提取。一旦可用,这种电池估计比普通石墨阳极的锂离子电池储存的能量多10倍。

石墨烯的进一步改进是通过在阴极中添加氧化钒来实现的。据说,这种增强的实验电池可以在20秒内充电,循环1000次后仍能保持90%的容量。石墨烯也在超级电容器和太阳能电池中进行测试,以提高特定的能量密度。图1展示了通过扫描探针显微镜(SPM)可见的石墨烯独特晶格。

石墨烯
图1:扫描探针显微镜(SPM)显示了石墨烯的图像。
石墨烯是一层纯碳,只有一个原子厚。它柔韧、透明、不透湿、比钻石更坚固、比黄金更导电。每个碳原子都有三个电子,它们与最近的原子电子结合,形成化学键。

资料来源:美国陆军物资命令

几十年来,科学家们一直在研究石墨烯的神奇之处,但目前还没有专门使用这种神奇材料的商业产品。几个世纪以来,石墨烯的奇迹很可能在不知不觉中被用于铅笔和其他产品中。更好地理解其机制将最终导致改进的产品。

与此同时,我们采取了学术界和股票启动子的许多精彩突破,含盐。当它到达但承诺遵守我们目前在劳动力的情况下,我们将拥抱超级电池。(看BU-104c:八角电池.)

上次更新:11月17日2020年

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评论(17)

2015年7月3日上午6:30
乔恩写道:

不可能以与自然形式是相同的方式细化合成石墨烯吗?我只问,因为从环境中删除“宠物焦”看起来更健康,更环保。夫妇与概念更高的初始纯度应该意味着更少的改进,也应该意味着更加环保的解决方案,这也不那么便宜。

2016年1月14日凌晨5:11
lal bahadur singh.写道:

您可以将煤焦油沥青的合成石墨加工在电极中使用的石墨粉末提出建议。您能否建议合成石墨的制造技巧,其达到阳极容量OY 372 MAH / GM!Plese在这个问题上启发我们!

2016年1月19日上午11:29
罗伯特·芬内尔写道:

请将主题煤炭焦油的信息发送到石墨电源

谢谢youbeing.

2016年2月21日上午7:42
Ajay Goyal写道:

Amazing….. coal fired power plants are polluting the world with CO2 and other noxious emissions….. and who knows one day could be used as “Graphene”.... would help in storing energy in EV’s….. what goes round….. comes around… don’t get rid of your invetments in coal mines… who knows….!!!

2016年4月15日下午1:46
史蒂夫帕金森写道:

我的一位朋友刚刚告诉我,他有一个石墨矿,具有17,000,000吨的表面矿产,他正在寻找买家。目前的询价价格为6000万美元,为任何人与买方联系的任何人。您可以通过steve@spmarketing.info与我联系,我将在2016年4月底之前进行演示包,如果有人有兴趣。谢谢。

2016年4月15日下午1:51
史蒂夫帕金森写道:

我忘了说矿山在巴西的纳塔尔附近。

2016年5月2日上午10:43
Brenden ritter写道:

这项技术听起来将改变世界,当它变成现实。谁能告诉我,在量产方面还有什么需要解决的吗?

2016年8月25日在上午1:44
威廉•戴维森写道:

你能对Grabat http://grabat.es/en/node/35发表评论吗?它是西班牙语的,但当我使用谷歌Translate时,它做出了一些惊人的声明。

“由石墨烯制成的聚合物,在电动汽车中使用,可以让电池行驶800公里。”

“,它的密度为1,000WH / kg,电压为2,3V,当通过独立的代理人TÜV分析时

“据总统介绍,他有”巨大的潜力,因为装卸速度为100℃,而电池是3C,没有记忆效果。“

2016年10月31日在12:05 AM
Diwakar Karuppiah.写道:

合成石墨烯比天然石墨烯更贵。但天然石墨烯也是经过某种过程提纯的,不是吗?因此,它也需要一些成本。那么为什么合成的成本会更高呢?

2016年11月10日6:34分
haim dror.写道:

什么是最致密的电池技术?

2016年12月1日在上午3:31
拉法特写道:

Diwakar Karuppiah的同样评论,

合成石墨烯比天然石墨烯更贵。但天然石墨烯也是经过某种过程提纯的,不是吗?因此,它也需要一些成本。那么为什么合成的成本会更高呢?

2017年6月29日12:42
D.M.S艺术观写道:

你用天然结晶静脉石墨测试过氧化石墨烯吗?

2017年8月19日在下午1:01
迈克尔•华莱士写道:

“石墨薄片上的小孔”显然比你文章中说的要小得多。它们的直径小于3纳米,而不是10到20纳米的直径。参见示例http://community.wvu.edu/~miholcomb/graphene.pdf

这就增加了锂离子通过这些空穴的难度,考虑到各种作用力,比如范德瓦尔斯力。

2017年11月20日在上午5:38
Md jahangeer写道:

有人能告诉我为什么石墨在这个时代如此受欢迎吗?

2017年12月13日上午10:19
查普曼写道:

发现了这一点,它可能是兴趣
https://futurism.com/we-may-finally-have-a-way-of-mass-producing-graphene/

2018年1月12日下午5:17
Aydan Zebib写道:

Magnis Resources与Li离子电池和石墨进行了一些有希望的工作。石墨的纯度如何影响实际电池?

2019年8月21日上午8:40
数学写道:

Nouveau-Monde石墨公司(NOU.TO)位于加拿大魁北克省,旨在使用绿色、可再生能源生产电池级石墨。

http://nouveaumonde.ca/en/press/nouveau-monde-receives-4-25m-grant-from-sdtc/

http://nouveaumonde.ca/en/demonstration-processing-plant/

资金充足,政府支持,社会认可的项目,稳定的管辖。
石墨上最好的纯粹比赛之一。