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为何你的智能手机需要石墨烯电池
www.creaders.net | 2019-12-24 15:43:20  雷锋网 | 0条评论 | 查看/发表评论
  

     近日,华为法国官方发布一条了 Twitter,预告华为将是第一个配备石墨烯电池的手机品牌,并打算将这种电池用于华为的高端手机。这条 Twitter 还指出,这种电池除了比以前的型号充电速度更快以外(用户可以在 45 分钟内将电池充满),电池还将比以前更耐用,更持久,更小。

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  随后,这一消息得到了外媒的进一步猜测和报道。根据华为此前的计划,2020 年上半年的华为旗舰产品为 P 系列,因此,外媒猜测 P40 可能将会是华为首款配备石墨烯电池的手机。

  不过,根据最新消息,华为高管回应这则 Twitter 的内容为假消息。实际上,这并不华为第一次与石墨烯“扯上关系”

  对于华为法国官方 Twitter 透露的华为明年在石墨烯电池方面的动态,有业内人士表示,当前石墨烯电池正在致力于解决三个关键问题:倍率性能、能量密度和安全性,倍率性能即所说的快充。眼下,已经商用的技术主要体现在快充方面,如果华为在安全性方面取得突破性进展的话,P40 系列首发石墨烯电池完全有可能。

  不过,这一 Twitter 现在已经被官方删除。外媒 Phone Arena 认为,华为删除 Twitter 表明这一消息“可能是假新闻(might be fake news)”。华为手机产品线副总裁李小龙证实了这则 Twitter 为假消息。

  石墨烯是什么?

  上文一直在说石墨烯和石墨烯电池,这里我们先来了解一下石墨烯是什么:

  石墨烯(Graphene):是一种由碳原子以 sp2 杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜,只有一个碳原子厚度的二维材料。2004 年,英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫,成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯,而证实它可以单独存在,两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”为由,共同获得 2010 年诺贝尔物理学奖。

  石墨烯目前是世上最薄但也是最坚硬的纳米材料,它几乎是完全透明的,只吸收 2.3% 的光;导热系数高达 5300 W/m·K,高于碳纳米管和金刚石,常温下其电子迁移率超过 15000 cm2/V·s,又比纳米碳管或硅晶体高,而电阻率只约 10-6 Ω·cm,比铜或银更低,为目前世上电阻率最小的材料。因为它的电阻率极低,电子跑的速度极快,因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。

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  上图为 IBM 石墨烯芯片

  简单来说,石墨烯是由碳原子组成的单层石墨,是只有一个碳原子厚度的六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜(雷锋网按:最早的石墨烯就是用胶带一层一层地把石墨变薄而获得的),具有非常好的导热性、电导性、透光性,而且具有高强度、超轻薄、超大比表面积等特性,因而被誉为“超级材料”。

  凭借着多方面的优良特性,石墨烯的用途也非常广泛,可以被应用于锂离子电池电极材料、薄膜晶体管、传感器、半导体器件、复合材料制备、透明显示触摸屏等方面。上文所提到的“石墨烯电池”就是其主要的用途之一。

  石墨烯电池的卢山真面目

  近年来,网络上关于石墨烯电池的消息多且杂,一些媒体甚至将石墨烯电池宣传为“锂电池的颠覆性革命”。实际上并非如此。

  首先,我们要清楚一个概念,所谓石墨烯电池并非整个电池都用石墨烯材料制作,而是在电池的电极使用石墨烯材料。

  另外,石墨是锂离子电池中最常用的负极材料,充电时,Li 嵌入到石墨层间形成插层化合物,Li 完全嵌入时,每个石墨层都嵌入一层 Li,对应化合物 LiC6,理论比容量为 372mAh/g。当每片单层石墨都以杂乱无章的方式排列,则在单层石墨的两侧表面都可以结合 Li,理论比容量提高了一倍,即 744mAh/g。

  由于石墨烯的缺陷位、片层边缘及石墨烯堆积形成的微孔结构都可以存储 Li。也就是说,在理论上石墨烯电极可能有超过石墨两倍的比容量。

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  上图为复合电极材料结构图

  除此之外,如果将石墨烯和 SnO2,Mn3O4,CuO 等电导率比较低的正极、负极纳米材料进行复合,如 Li4Ti5O12、TiO2、LiFePO4 等,或许将提高锂离子电池的循环性能。中科院金属研究所曾在 PNAS 发表论文,将正极材料 LiFePO4 和负极材料 Li4Ti5O12 分别与石墨烯复合,制备了 LiFePO4-石墨烯 / Li4Ti5O12- 石墨烯为电极的具有高充放电速率的柔性锂离子电池,石墨烯作为锂离子及电子的通路,同时起到了导电添加剂和集流体的作用。

  如果将石墨烯和炭黑混合后作为导电添加剂加入锂电池,或许可以有效降低电池内阻,提升电池倍率充放电性能和循环寿命,而且电池的弯折对充放电性能没有影响。而华为、高通此前通过大电流密度下充放电实现快速充电的做法电池寿命损失很大,尽管这一缺点在近年来已经改进了不少。相比之下,石墨烯电池的快速充电并不会像削减电池寿命,而且更有技术层面的美感。

  总之,仅从石墨烯电池的角度来说,其能量密度在理论上能得到大幅提升甚至翻倍,但迄今为止,石墨烯电池在实际应用中的能量密度提升非常有限。另一方面,由于石墨烯电池中的储能物质依旧是锂离子,所以石墨烯电池并非像网络流传的那样是对锂电池的颠覆。

  石墨烯电池虽在提升锂电池的充放电速率和锂电池的寿命方面具有突破性意义,但无论是各大手机厂商,还是消费者,都应该对此保持理智的态度。

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