研究报告称石墨烯将在储能领域获得重大市场机遇

据Graphene-info网站2020年4月刊文,总部位于英国的市场研究公司IDTechEx分析了储能和石墨烯市场应用的各个领域,评估了新材料和新技术的发展趋势、瓶颈以及市场潜力。新近更新的报告《2020-2030年锂离子电池》提供了对锂离子电池市场和新材料机遇的全面调研和分析,研究报告《石墨烯、二维材料和碳纳米管2019-2029》详细分析了这几类材料及其商业化进程和应用前景。

石墨烯、二维材料和碳纳米管2019-2029

石墨烯多年来一直被认为是一种具有众多神奇性能的重要材料,经过多年的发展,人们普遍认为石墨烯发展的爆点即将到来。石墨烯具有在众多领域使用的潜力,其中最引人注目的就是储能市场。根据测算,到2025年,仅插电式电动汽车对锂离子电池的需求就将接近350兆千瓦时(GWh)。IDTechEx预测,在未来十年内,超过30%的石墨烯市场将出现在储能应用中,并将有多项引人关注的用例。

储能领域发展最重要技术之一是在锂离子电池中使用以硅为主的阳极材料。硅的理论容量约为石墨的10倍,因此一直是锂离子电池领域中最为活跃的研究主题。2015年以来,仅针对从事有关硅阳极材料的初创公司的投资就超过5亿美元。不过,使用硅阳极材料产生的主要问题:将硅“锂化”后,其体积可能扩大300%,会引发围绕电极粒子之间电路连接损耗和电解质分解等各种问题,最终导致循环运转寿命较差。

石墨烯可为这类问题提供解决方案。例如,将硅材料“包裹”在石墨烯中,可适应体积膨胀并防止电解质分解。同时,石墨烯还能够提供导电网络,使得硅电极在反复膨胀/收缩的过程中仍能保持导电性。石墨烯在阴极处也具有电势,可以改善不同阴极材料的电导率和容量保有率。许多石墨烯生产商正在展示其材料在工业中应用的潜力,并取得了一些可喜的成果。不过在储能领域中其他的一些技术路线也不应该被忽视。

除了锂离子电池技术,石墨烯还可以增强下一代锂硫电池的性能。由于使用了容易广泛获取硫作为阴极材料,因此锂硫电池有望显著降低成本。与锂金属阳极结合使用,还可以提高比能(Wh/kg)。不过,硅和硫之间存在相似之处,硫也容易产生一些稳定性问题,例如:多硫化物易溶解并扩散至阳极,在阳极上它们发生反应并导致活性材料损耗。此外,硫是不导电的,并且尽管不会像硅一样极端,但也会在锂化过程中发生体积膨胀,所以硫中既需要导电添加剂,也需要为体积膨胀预留足够空间。来自挪威的初创企业石墨烯电池(Graphene Batteries)公司使用的石墨烯网络可提供导电功能,能够满足体积膨胀的空间要求,并且有助于捕捉多硫化物免于扩散到阳极。尽管如此,锂硫化学电池仍处于商业开发的早期阶段,其各种性能参数仍需要改进和证明。

石墨烯的高比表面积和电导率意味着它在能量存储中的首次应用将不是在电池中,而是在超级电容器中(电容与表面积成正比)。单层石墨烯的理论比电容为550F/g,是有机电解质(现有电极材料)中活性炭能够获得电容的3-4倍。公司正在探索从μF芯片到用于物联网设备的kF模块,也同时在探索在风力涡轮机和越野车等领域的应用。很多厂商都在寻找各种不同的方式来经济有效地将石墨烯用作万能添加剂,因为这样无需重新设计结构或表面。但迄今为止,这种将石墨烯作为万能添加剂的做法,仅仅对提升比电容或电池能量密度产生非常有限的改进。实际上,石墨烯具有进一步提升能量密度的能力,利用石墨烯开发超级电容器可以更好的储能供电并具备快速充放电的功能。

总的来看,石墨烯可以帮助锂硫电池技术突破,并能够改善超级电容器性能。IDTechEx相信,石墨烯最有可能在储能市场中首先占据一席之地。锂离子电池技术仍将在未来十年内占据主导地位,石墨烯将在其中发挥重要作用。

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