グラフェンリチウム電池は本当にクールですか？

英国マンチェスター大学の物理学者AndreGeimとKonstantinNovoselovが、「2次元グラフェン材料を使った画期的な実験」で2010年のノーベル物理学賞を共有して以来、グラフェンに関するニュースや研究は大きな注目を集めています。では、グラフェンリチウム電池の充電の潜在的な利点は何ですか？たとえば、人気のモバイル充電式リチウム電池は、この技術の応用に対する期待に満ちています。

また、同社の研究開発牛に「グラフェンは大量生産できるようになったのか」とよく尋ねます。グラフェンリチウム電池は、数秒で完全に充電できるほど強力であると言われていますか？実際、電気化学や材料科学のバックグラウンドがない電気のように、専門家は答えることしかできないことがよくありますが、それらのあいまいな専門家の理論を理解することは困難です。

著者は専門家の回答とさまざまなデータを組み合わせて、次のコンテンツを整理します。今日のテクノロジーの変化は日々変化しており、それらの高度なアイデアやアイデアを言うのは非常に困難です。今では誇大広告のようです。おそらくその日です。現実になります。

グラフェンとは

グラフェン（グラフェンを追加）は、sp2混成軌道を持つ炭素原子からなる2次元材料で、ハニカム格子と炭素原子の厚さが1つしかない六角形の平板を形成します。グラフェンは現在、世界で最も薄いが最も硬いナノ材料です。ほぼ完全に透明で、2.3％の光しか吸収しません。熱伝導率は最大5300W / m・Kで、カーボンナノチューブやダイヤモンドよりも高く、室温での電子移動度は15000cm2 / V・s以上であり、カーボンナノチューブやシリコン結晶よりも高く、抵抗率はわずか約10です。 8 1％m、銅や銀よりも低く、材料の世界最小の抵抗率。

最も薄く、最も硬く、最も熱伝導性が高く、最も導電性の高いこれらのリングはすべて、驚くべき材料のグラフェンが何であるかを人々に伝えています。ただし、著者は、グラフェンは1〜2層のナノシートの国際的な定義によってのみグラフェンと呼ぶことができ、欠陥のないグラフェンだけがこれらの完璧な特性を持っているのに対し、実際に製造されるグラフェンはほとんどが多層で欠陥があることを思い出してください。

現在の製造方法と品質

機械的ストリッピング：Geimのチームは、3Mテープを使用して手作業でグラフェンを製造しましたが、収率が非常に低く、得られたグラフェンが非常に小さかったため、この方法は商業的に実行可能ではありませんでした。

化学蒸着法（CVD）：化学蒸着法は主にグラフェン薄膜の作製に使用されます。高温では、メタンなどのガスが金属基板（Cu箔）の表面に堆積して接触分解し、グラフェンが生成されます。 CVD法の利点は、大面積、高品質、均一性の良いグラフェン膜を成長させることができることですが、コストが高く複雑なプロセスのために転写が困難であり、一般的に成長するグラフェン膜は多結晶であるという欠点があります。

酸化還元法：酸化還元法とは、天然のグラファイトと強酸および強酸化物質との反応により酸化グラファイト（GO）を生成し、これを超音波で分散させて酸化グラフェンを調製し、還元剤を添加して酸素を除去することです。酸化グラファイトの表面にグループを含み、グラフェンを取得します。酸化還元法は、その低コストと容易な実現により、グラフェンの製造において最も主流の方法になりました。しかし、この方法で発生する廃液は深刻な環境汚染を引き起こします。調製されたグラフェンは、厳密な意味ではグラフェンではなく、一般に多層グラフェンまたはグラフェン微結晶であり、製品の欠陥によりグラフェンの電気的および機械的特性の一部が失われます。

溶剤ストリッピング法：溶剤ストリッピング法の原理は、少量のグラファイトを溶剤に分散させて低濃度の分散液を形成することです。超音波の効果は、グラファイト層間のファンデルワールス力を破壊するために使用されます。溶剤をグラファイト層の間に挿入し、層を剥がしてグラフェンを生成します。この方法は、酸化還元法が高品質のグラフェンを生成できるため、グラフェンの構造を破壊しません。不利な点は、コストが高く、生産率が非常に低く、工業生産が難しいことです。

また、グラフェンの作製方法には、溶媒熱法、高温還元、光還元、エピタキシャル結晶成長法、マイクロ波法、アーク法、電気化学法などがありますが、上記の4つの方法ほど一般的ではありません。

ここでは、RGOという新しい用語を紹介します。一般に、goは、強酸で酸化された後、化学還元または熱衝撃によって還元されたグラファイトから作られます。現在、市場に出回っているいわゆる「グラフェン」の大部分は、酸化還元法で製造された酸化グラフェンです。グラファイトシートの数はさまざまであり、電気的、熱的、または機械的特性がノーベル賞を受賞したグラフェンとは異なるかどうかにかかわらず、表面には多くの欠陥や官能基があります。それらは技術的には「グラフェン」ではありません。

「グラフェンバッテリー」という言葉は今、熱いです。実際、「グラフェン電池」という用語は、国際的なリチウム電池の学界や業界には存在しません。つまり、「グラフェンリチウム電池」は本当にエキサイティングなコンセプトです。

米国の主要なグラフェンウェブサイトであるgraphene-infoによると、「グラフェンバッテリー」は、電極材料にグラフェンを添加したバッテリーとして定義されています。私の意見では、この説明は明らかに誤解を招くものです。古典的な電気化学的命名法によれば、スマートフォンで一般的に使用されるリチウムイオン電池は「リチウムコバルト-グラファイト電池」と名付けられるべきです。

1991年に発売されたSONY18650リチウムイオン電池は、古典的な命名法が複雑すぎることを考えると、平均的な人は思い出せないため、「リチウムイオン電池」と呼ばれ、充電と放電のプロセスはリチウムイオンの移行、システムによって実装されますリチウム金属を含まないことから「リチウムイオン電池」と呼ばれています。結局、「リチウムイオン電池」という名前は世界中で広く受け入れられ、リチウム電池の分野でのSONYの特別な貢献も反映されています。

現在、市販のリチウムイオン電池のほとんどは、グラファイトタイプのアノード材料で作られています。同様の負極特性の場合、リチウムイオン電池の性能はアノード材料に大きく依存します。そのため、リチウムイオン電池には、アノードで呼び出す習慣もあります。例えば、BYDリン酸鉄リチウム電池（いわゆる「鉄電池」は著者の議論の範囲外です）、リチウムコバルト酸電池、リチウムマンガン酸電池、三元電池などはすべて正極用です。 。

グラフェンは、リチウム電池で可能な（しかし可能な唯一の）用途があります

負：

1.グラフェンはアノード材料にのみ使用されます。

2.シリコンベースおよびスズベースの材料や遷移金属化合物など、他の新しいカソード材料との複合材料の形成。

負の導電性添加剤。

正極：主にリン酸鉄リチウムの正極に添加される導電剤として使用され、比率と低温性能を向上させます。リン酸マンガンリチウムとリン酸バナジウムリチウムのサイクリング性能を改善する研究もあります。

グラフェンの機能的にコーティングされたアルミホイルの実際の性能は、通常のカーボンコーティングされたアルミホイル（ハンケルと共同でA123によって開発された）のそれよりもはるかに優れていません。それどころか、コストとプロセスの複雑さが大幅に増加しているため、このテクノロジーが商品化される可能性はほとんどありません。

上記の分析から、グラフェンがリチウムイオン電池で役割を果たす可能性のある領域は、カソード材料に直接使用される領域と導電性添加剤の2つだけであることが明らかです。

グラフェンがリチウムアノード材料としてのみ使用される可能性

純粋なグラフェンの充放電曲線は、比表面積の大きいハードカーボンおよび活性炭材料の充放電曲線と非常に似ています。どちらも、初期サイクルクーロン効率が非常に低い、充放電プラットフォームが高すぎる、深刻な電位差があるという欠点があります。サイクリングの安定性が悪い。これらの問題は、実際には比表面積の高い無秩序な炭素材料の基本的な電気化学的特性です。

グラフェンは振動密度と圧縮密度が非常に低く、非常に高価であるため、グラファイト材料の代わりにリチウムイオン電池の負極としてグラフェンを直接使用することはできません。グラフェンだけでは負極として使用できないので、グラフェン複合材料はどうでしょうか。

グラフェンおよびその他の新しいネガティブ材料（シリコンベースおよびスズベースの材料、複合材料を形成する遷移金属化合物など）は、現在「ナノリチウム」の最も注目されている研究分野であり、過去数年間に数千の論文が発表されています。 。一方では、グラフェンシート層の柔軟性を使用して、サイクル中のこれらの大容量電極材料の体積膨張を緩衝します。一方、グラフェンの優れた導電性は、材料の粒子間の電気的接触を改善し、分極を減らすことができます。これらすべての要因により、複合材料の電気化学的特性を向上させることができます。

ただし、改善効果を発揮できるのはグラフェンだけではありません。著者の実際の経験は、従来の炭素複合技術とプロセスの適用が同様の、またはさらに優れた電気化学的特性を達成できることを示しています。たとえば、Si / C複合カソード材料は、一般的な乾式複合技術と比較して、材料の電気化学的特性を大幅に改善しません。逆に、グラフェンの分散と適合性は、プロセスの複雑さを増し、バッチの安定性に影響を与えます。

材料費、製造工程、加工性、電気化学的性質を考慮すると、リチウムアノードへのグラフェンまたはグラフェン複合材料の実際の適用の可能性は非常に小さく、工業化の見通しは薄いと著者は考えています。

導電剤としてグラフェンを使用する可能性

現在、リチウム電気で一般的に使用されている導電剤には、導電性カーボンブラック、アセチレンブラック、コーゲンブラック、SuperPなどがあり、一部の電池メーカーは導電剤としてカーボンファイバー（VGCF）とカーボンナノチューブ（CNT）を使用し始めています。パワーバッテリーで。

導電剤としてのグラフェンの原理は、二次元の高比表面積の特殊な構造による優れた電子伝達能力です。これまでに蓄積された試験データによると、VGCF、CNT、グラフェンはいずれも乗数性能の点でSuperPに比べて一定の改善が見られますが、電気化学的性能の改善度に差はほとんどなく、グラフェンには明らかな利点はありません。 。

では、グラフェンを追加すると、電極材料が爆発する可能性がありますか？答えはいいえだ。たとえば、iPhoneの携帯電話のバッテリー、アセンションのバッテリー容量は、主にLCOの動作電圧のアセンションの結果によるもので、最大充電電圧は4.2Vから4.35Vで、現在I-Phone6ではLCOの容量が145mahになります。 / gは徐々に160〜170 mah / gに増加します（高圧LCOは、表面コーティングなどのドーピングおよび変更対策に合格する必要があります）。これらの改善はすべて、グラフェンとは関係ありません。

つまり、カットオフ電圧が4.35v、容量が170mAh / gのコバルト酸リチウムを高圧で使用した場合、グラフェンを追加した分だけコバルト酸リチウムの容量を180mAh / gに増やすことはできません。 、数倍の容量を持ついわゆる「グラフェンバッテリー」は言うまでもありません。グラフェンを追加すると、バッテリーの寿命が延びる可能性がありますか？それも不可能です。グラフェンの比表面積はCNTの比表面積よりも大きく、CNTを負極に追加すると、より多くのSEIが生成され、リチウムイオンが消費されるため、CNTとグラフェンは、比率を改善するために正極にのみ追加できます。温度性能。

ただし、グラフェン表面の豊富な官能基は、グラフェン表面の小さな傷です。過剰に添加すると、バッテリーのエネルギー密度が低下するだけでなく、電解液に吸収される液体の量も増加します。一方で、電解質との副反応を増加させ、循環性に影響を与え、安全上の問題を引き起こす可能性さえあります。費用はどうですか？グラフェンは現在、製造に非常に費用がかかり、市場に出回っているいわゆる安価な「グラフェン」製品は基本的に酸化グラフェンです。

goでさえ、VGCFよりも高いCNTよりもコストがかかります。そして、分散性と加工性の点で、VGCFはCNTやグラフェンよりも操作が簡単です。これが昭和電工のVGCFが徐々にパワーバッテリー市場に参入している主な理由です。グラフェンは、導電性添加剤として使用した場合、コストパフォーマンスにおいてCNTやVGCFに勝る利点がないことがわかります。

中国のグラフェンの現在の暑い状況は、10年以上前のカーボンナノチューブ（CNTS）を思い出させます。グラフェンとCNTを比較すると、2つは非常に類似しており、多くのほぼ同一の「奇妙な特性」を持っていることがわかります。 CNTのこれらの「魔法の特性」は、グラフェンに完全に適用されます。 CNTは、前世紀の終わりに国際的に発火し始め、2000年から2005年の間に最高潮に達しました。CNTSは非常に用途が広く、リチウム分野で多くの「独自の特性」を持っていると言われています。

しかし、20年以上が経過し、これまでのところ、これらのCNTの「奇妙な性能」が実際に大規模に適用されている分野はありません。リチウム電気に関しては、CNTは正極導電剤としてのみ使用されます。過去2年間で、LFPパワーバッテリーの小規模試験を開始し（コストパフォーマンスはVGCFよりもまだ低い）、LFPパワーバッテリーは電気自動車の主流の技術ルートになる運命にあります。

CNTと比較すると、グラフェンは電気化学的特性の点で非常に似ていますが、特別な機能はありません。それどころか、それはより高い製造コスト、製造プロセスにおけるより深刻な環境汚染、およびより困難な実際の操作および処理性能を有する。私のリチウム電池の開発と製造における長年の経験に基づくと、グラフェンはリチウムイオン電池の分野で実用的な価値はあまりないと思います。いわゆる「グラフェンバッテリー」は単なる誇大宣伝です。 CNTとグラフェンを比較すると、著者は「歴史はいつもとても似ている」と言いたい。

グラフェンの実際の潜在的な用途が推測されています

リチウムイオン電池におけるグラフェンの将来の用途は非常に限られています。リチウムイオン電池と比較して、著者は、スーパーキャパシター、特にマイクロスーパーキャパシターの分野におけるグラフェンの応用見通しは、もう少し信頼できるように思われると考えています。ただし、学術的な誇大宣伝には注意が必要です。

実際、これらのいわゆる「学術的ブレークスルー」の多くを読んだ後、多くの教授が彼らの論文のいくつかの基本的な概念を意図的または意図せずに混乱させていることに気付くでしょう。現在、市販の活性炭スーパーキャパシターのエネルギー密度は一般に7〜8wh / kgです。これは、すべてのコンポーネントを含むスーパーキャパシター全体のデバイスエネルギー密度を指します。そして、教授が話しているブレークスルーは通常、材料のエネルギー密度であるため、実際のグラフェンの過充電は、論文が示唆しているほど良くはありません。

比較的、ミニチュアスーパーキャパシタの要件のコストはそれほど厳しくなく、電気化学活物質のようにグラフェン複合材料を使用したコンデンサであり、適切なイオン液体電解質を選択します。この準備は、従来のコンデンサとリチウムイオン電池のエネルギー貯蔵デバイスの2倍の利点で実現できます。微小電気機械システム（MEMS）では、このような小さなニッチ領域は（ちょうど）特定のアプリケーション価値を持つ可能性があります。

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