石墨烯在不同领域的应用分析

来源:前瞻产业研究院

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关键词:石墨烯 锂离子电池 超级电容器

    石墨烯作为21世纪发现的物理、化学性能最为优异的材料,在能量存储、半导体制备、生物医药等领域的应用被寄于厚望。目前的研究热点是石墨烯在能量存储和转换领域的应用,如锂离子电池、超级电容器等。



    石墨烯在锂离子电池中的应用


    锂离子电池由索尼公司第一次商业化应用,具有电池容量大、能量密度高、自放电低、工作温度围宽的优点,在日常生活中得到了广泛的应用。数据显示,2017年,我国锂电池行业消费量达到9.15万吨,同比增长8.80%。



    目前石墨烯在锂离子电池中的应用主要有三个方面,分别为作为负极材料、正极材料以及导电添加剂。


    石墨烯在锂电子电池负极材料中的应用最为成熟,目前已经相继在石墨烯改性硅基材料、石墨烯改性锡基氧化物、石墨烯改性过渡金属类材料、石墨烯改性其他碳材料等改性材料作为锂电池负极材料应用中取得进展。


    石墨烯在锂离子电池正极材料中的应用近年来也得到了广泛关注,主要是石墨烯二维高比表面积的特殊结构以及其优异的电子传输能力。目前研究者已经发现改性LiFePO4石墨烯具有良好的导电性能。开发出导电性更好的改性材料是未来石墨烯在正极材料应用中的技术研发重点。


    而石墨烯作为导电添加剂的研究工作目前尚处于初级阶段,相关研究还局限在低倍率条件下的循环性能和比容量的提高,未来研究方向将会在高倍率条件下的循环性能和比容量的提高。


    石墨烯在超级电容器中的应用


    超级电容器是一种介于电池和传统静电电容器之间的新一代能源装置,因为充放电的过程始终只涉及物理变化,所以超级电容器具有性能稳定、充电时间短、循环次数多、电容量大等特点,在能源存储、电动工具、交通设备、动力设备、通信等领域具有非常广阔的应用前景。



    石墨烯在超级电容器的应用,可显著提高能量密度。受到电极材料的制约,现有超级电容器能量密度大都低于50Wh/kg。石墨烯的比表面积为2630m2/g,将其应用于超级电容电极材料,可显著提高超级电容器的能量密度。目前已有实验室成果做到储能密度达170Wh/kg,大大超过现有超级电容器的能量密度。但是在电容器组装过程中,因为石墨烯团聚现象的存在,使得相应超级电容器的能量密度受限,现有研究方向是通过改变电解液种类、石墨烯形貌以及石墨烯基复合电极材料为主。



    目前石墨烯电容器尚处于研发阶段,但就已有的技术发展来看,超级电容器的技术难度并不十分高,制造成本也相对较低,未来产业化前景可期。


    石墨烯在其它领域的应用


    石墨烯因其优异的电化学特性,除了在锂离子电池、超级电容器中应用之外,还被用于其它领域。


    例如,利用石墨烯超高的电子迁移特性制备太阳能电池材料,以大幅度提高太阳能的转化效率;利用石墨烯超强优异的柔韧特性,制备柔性材料,用于柔性显示器、可穿戴设备等;利用石墨烯对生物的低毒性及极高的载流子传输能力制备药物载体,使得石墨烯在生物医药和生物诊断方面具有广阔的应用前景;借助石墨烯优异的物理化学稳定性,石墨烯基重防腐涂料已经进入产业示范应用阶段;石墨烯因极高的导热特性及特殊的孔隙结构还被用作制备高效热电材料以及海水淡化等领域。


    可以预见,石墨烯在未来各个领域都有极其重要的应用价值,发展前景广阔,市场潜力巨大。

    (审核编辑: Doris)

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