石墨烯如何助力固態(tài)鋰金屬電池，多種創(chuàng)新方案可供選擇
分類：前沿資訊
- 作者：謝偉
- 發(fā)布時間：2021-04-12
【概要描述】致力于石墨烯研發(fā)生產十多年的G3公司，提出了幾項利用石墨烯解決固態(tài)鋰金屬電池技術難題的創(chuàng)新方向，讓我們看看這些方案是否靠譜？
在上一篇文章里我們介紹了位于美國俄亥俄州丹頓市的Global Graphene Group環(huán)球石墨烯集團，簡稱G3，由臺灣籍的華人教授張博增創(chuàng)立。公司從研發(fā)生產石墨烯起家，近幾年開始轉向研發(fā)生產硅負極材料，同時張博增也開始著眼于固態(tài)金屬鋰電池的研發(fā)，并且已在這方面申請了38個相關專利。這篇文章，我們就帶你梳理一下G3公司在研發(fā)固態(tài)金屬鋰電池方面的一些創(chuàng)新。
盡管我們之前已在一篇文章里介紹過固態(tài)鋰金屬電池的技術挑戰(zhàn)，《技術起底QuantumScape的鋰金屬固態(tài)電池熱潮》，這里我們還是再簡要說明一下目前的固態(tài)金屬鋰電池面臨的幾大難題：
1. 鋰金屬會與液體電解質反應，從而造成電池容量迅速降低；
2. 充電時鋰金屬往負極導電箔上沉積，由于電流分散不均勻，會造成局部沉積過快，從而形成鋒利的鋰枝晶，如下圖所示。鋰枝晶會刺破高分子隔膜，造成電池短路，從而失效。
3. 同樣因為局部沉積過快，一些凸起的鋰金屬末端會與大金屬塊分離，從而變成孤立的鋰顆粒，失去與負極導電箔的連接，失去導電性，變成無用的游離金屬顆粒，慢慢降低電池容量。
4. 負極的鋰金屬塊不斷地生成和消解，引起負極空間的變形，金屬塊慢慢會失去與導電金屬箔的緊密連接，導電性逐漸變弱，從而造成能效越來越低。
針對上述問題，G3公司在他們的固態(tài)鋰金屬電池專利中提出了以下一些解決方案：
1. 在負極金屬導電箔上添加石墨烯保護層，用以限制晶枝的產生與生長；
2. 石墨烯保護層因為具有良好的延展性，同樣也能起到緊密連接鋰金屬與固態(tài)電解質的功能；
3. 使用具有良好彈性的導電高分子保護層，防止鋰金屬與液態(tài)電解質接觸。
我們從具體的技術角度來分析一下G3公司的這些創(chuàng)新解決方案。首先是石墨烯保護層。石墨烯因為其特殊的薄層結構，很容易形成下圖這種類似于“紙牌屋”的多孔結構。這些空隙為金屬鋰的沉積提供了預設的空間，而石墨烯較強的支架強度能確保負極材料在組裝時不被壓壞。這個多孔結構有效地解決了金屬鋰電池在充放電循環(huán)中的空間變化問題，可以防止負極不同材料層之間的分離和斷路。
同時，由于石墨烯具有非常優(yōu)異的導電性能，可以避免在其表面生長的鋰金屬產生局部電流過大，從而避免鋰晶枝的產生與擴大。如果能成功避免鋰晶枝的產生，則可以繼續(xù)使用傳統(tǒng)的高分子隔膜，不僅大大節(jié)省成本，也能提高電池的性能。
G3公司的第二個創(chuàng)新方向是使用具有高彈性的導電高分子保護層。這個高分子層會被設置在鋰金屬與隔膜之間，其主要目的是利用其高彈性來彌補充放電時的空間變化。這個創(chuàng)新已被很多公司用于硅負極的設計，所以它能幫助提高鋰金屬電池的循環(huán)壽命，也就不令人意外了。
第三個創(chuàng)新方向是往石墨烯多孔結構里添加過渡金屬顆粒，因為一些過渡金屬能降低鋰金屬在石墨烯表面沉積的化學能，起到類似于催化劑的作用。這樣就能降低鋰金屬往已有金屬塊上沉積的概率，提高鋰金屬往尚未覆蓋的石墨烯表面沉積的概率。簡而言之，就是能有效避免局部集中沉積，讓鋰金屬的沉積層變得更加光滑，從而降低鋰晶枝的產生。
第四個創(chuàng)新方向是在石墨烯表面人工合成電解質-固體界面膜，從而保護鋰金屬不與液體電解質發(fā)生接觸。這個措施也已被廣泛應用于硅負極材料中，因此不再贅述。
最后一項創(chuàng)新方向是往石墨烯多孔結構里加入已與鋰金屬結合的硅鋰合金。這個方法聽起來似乎更偏向于是對于硅負極材料的解決方案，而跟固態(tài)鋰金屬電池的相關性不大，畢竟在負極，鋰是以硅鋰合金的形式存在，而不再是單純的鋰金屬。
總而言之，在G3公司提出的這些創(chuàng)新方向里，前三個還是與固態(tài)鋰金屬電池緊密相關的，而且從理論基礎的角度來看也具有很好的合理性。而在技術實現的層面，這些方向都具有很大的挑戰(zhàn)性，如何能更好更快地實現這些措施，將是接下來的幾年里固態(tài)鋰金屬電池領域努力奮斗的目標。
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參考文獻：
1. GlobalGraphene Group公司官網www.theglobalgraphenegroup.com
2. OnDemand Webinar- The Path Forward for Solid-State EV Batteries, https://www.theglobalgraphenegroup.com/ondemand-webinar-the-path-forward-for-solid-state-ev-batteries/
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作者簡介：
謝偉博士，清華大學材料學學士和碩士，美國德克薩斯大學（奧斯?。┗瘜W工程博士。主要從事儲能電池開發(fā)工作，先后在跨國企業(yè)及初創(chuàng)公司任要職，主持多項美國能源部資助研發(fā)項目，獲得2013年全美年度100最佳研發(fā)技術大獎。在材料學及儲能領域頂級期刊發(fā)表論文17篇，擔任5家國際期刊審稿工作，擁有國際發(fā)明專利申請17項。
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