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研究者们往往侧重于对天然石墨进行改性研究

来源:未知   作者:admin    发布时间: 2018-08-12 02:57   浏览:

研究者们往往侧重于对天然石墨进行改性研究

  在锂离子嵌入脱嵌过程中体积变化小,结构相对稳定,但是可逆比容量仅260 mAh/g,不可逆比容量在100 mAh/g 以上。鳞片石墨的结晶度高,片层结构单元化大,具有明显的各向异性。这种结构决定了石墨在锂嵌入和脱嵌过程中体积产生较大的变化,导致石墨层结构破坏,进而造成较大的不可逆容量损失和循环性能的剧烈恶化。

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  石墨烯应用合作项目签约仪式上,在侯保荣、李萍、贾君、于洪涛、安虎贲、廖华荣等嘉宾和领导的共同见证下,宝泰隆新材料股份有限公司分别与天津金能能源科技有限公司、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所、宝希(北京)科技有限公司、广东华材实业股份有限公司、广东暖丰电热科技有限公司签订了高性能石墨烯在超级电容中的应用、石墨烯复合锂电导电浆料制备关键技术研究及其中试产业、石墨烯/聚合物导电复合材料的制备与应用、石墨烯换热防护涂层、高低温石墨烯电热膜项目的合作协议。七台河市政府与中国石墨烯产业技术创新战略联盟签署“中德石墨烯创新合作中心(七台河)共建协议”,贾君与李萍共同为“中德石墨烯创新合作中心(七台河)”揭牌。

  徐颖一行先后来到萝北奥星新材料有限公司、溢祥石墨有限公司、帝源矿业有限公司对我市石墨产业发展情况进行实地视察。在随后召开的座谈会上,于志伟对我市石墨产业发展情况进行了汇报。听取汇报后,徐颖对我市石墨产业发展情况取得的成绩给予充分肯定,她指出,我市石墨产业发展要规划先行,近期规划与远期规划相结合,沿着规划走,做到少走弯路、不走弯路,使我市石墨产业发展沿着正确的轨道顺利进行。要抓重点,让重点企业起到领头羊作用,鞭策其他企业进步,鼓励园区内的其他企业向先进典型企业学习,做到整体提档升级,打造成生态园区。要做好尾矿规划建设,引进一些利用尾矿材料的新型企业,充分利用尾矿,推动我市石墨产业进一步发展。

  锂离子电池能量密度在很大程度上取决于负极材料,从锂离子电池实现商业化到现在,所用的负极材料最成熟,应用最广的是碳材料,其中最主要的依然是石墨。石墨具有六元环碳网层状结构,碳碳之间是SP2 杂化的,层层之间是分子作用力连接。石墨中存在两种不同的晶体结构:六面体石墨(2H)和菱面体石墨(3R)。2H相具有ABABA特征堆积,3R相的堆积结构则是ABCABC。两种相可以相互转变,2H相是热力学稳定,在石墨中较多,约占总体的五分之四在锂离子电池负极材料中,天然石墨和人造石墨一直是使用最大的负极材料,但是人造石墨由于在生 产过程中需要高温处理,使其生产成本大幅提高并对环境产生不利影响,相对于人造石墨而言,天然石墨有很多优点,它的成本 低、结晶程度高,提纯、粉碎、分级技术成熟,充放电电压平台低,理论比容量高等,这些为其在锂离子电池行业的应用奠定了 良好的基础。

  通过表面包覆,减少石墨表面的活性点,使表面性质均一,避免溶剂的共嵌入,减少不可逆损失。

  七台河市委副书记、市长贾君和中国石墨烯产业技术创新战略联盟副秘书长李萍为中德石墨烯创新合作中心揭牌

  表面氧化主要是在不规整电极界面(锯齿位和摇椅位)处生产酸性基团(如-OH,-COOH 等),嵌锂前这些基团可以阻止溶剂分子的共嵌入并提高电极/电解液间的润湿性,减少界面阻抗,首次嵌锂时转变为羧酸锂盐和表面-Oli基团,形成稳定的SEI膜。此外,氧化可以出去石墨中的一些缺陷结构,产生的纳米级微孔做外额外的储锂空间,提高储锂容量。

  石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性,在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景,被认为是一种未来革命性的材料。英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫,用微机械剥离法成功从石墨中分离出石墨烯,因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。

  石墨烯的研究领域中高被引论文6170篇,领域中的热点文章有183篇。以下是小编从历年来石墨烯研究的ESI高被引文章和经典综述论文中选出的10篇论文,包括3篇综述文章和7篇研究论文,供大家学习参考。

  天然石墨分无定形石墨(土状石墨或微晶石墨)和鳞片石墨两种。理论容量为372 mAh/g。无定形石墨纯度低,石墨晶面间距(d002)为0.336 nm。主要为2H晶面排序结构,即石墨层按ABAB顺序排,单个微晶之间的取向呈现各项异性,但经过加工,微晶颗粒相互之间有一定的交互作用,形成块状或颗粒状的粒子时具有各向同性性质。且形成的块状颗粒容易粉碎成形状较好的颗粒。

  参观考察队伍由廖华荣和陈志带队,从桃山湖畔出发,先后参观了七台河新材料产业园和宝泰隆新材料股份有限公司。回到昆仑酒店阳光大厅后,进入石墨烯产业发展推介会阶段,推介会由廖华荣主持。推介会上,廖华荣从七台河基本情况、七台河在发展石墨产业方面的独特优势和扶持政策三方面,对七台河石墨新材料及石墨烯产业进行推介;市招商办、市投融资公司分别就我市招商引资政策、新材料产业投资基金情况进行推介,宝泰隆公司就石墨烯产业化重点项目进行了推介。随后在小会议厅举行的由廖华荣主持的企业对接洽谈会上,与会企业代表对石墨烯加入润滑油、纺织品等项目给予了充分关注。侯保荣在发言中充分肯定了石墨烯产业在七台河的发展成果和宝泰隆公司的创新创业精神,希望广大企业借助此次大赛增进交流合作,促进石墨烯产业做精做强。

  8月7日上午,“宝泰隆杯”2018中国(七台河)石墨烯应用创新创业大赛进入第二天,在完成了参观考察七台河新材料产业园和宝泰隆公司、石墨烯产业发展推介会、企业对接洽谈的日程后,在昆仑酒店阳光大厅举行了石墨烯应用合作项目签约仪式。中国工程院院士侯保荣、中国石墨烯产业技术创新战略联盟副秘书长李萍和市委副书记、市长贾君,市委副书记于洪涛,市委常委、秘书长蒋和庆,市政府秘书长陈志等出席签约仪式,市委常委、副市长廖华荣主持仪式。

  石墨负极材料的表面包覆改性主要包括碳包覆、金属或非金属及其氧化物包覆和聚合物包覆等。通过表面包覆实现提高电极的可逆比容量、首次库伦效率、改善循环性能和大电流充放电性能的目的。石墨材料表面包覆改性的出发点主要有以下两点:

  下表是发表Nature & Science文章数排名前10的科研机构及其所占比例的统计情况,从表中看出,英国的曼切斯特大学发表的论文总数有37篇,位列第一,麻省理工学院和哥伦比亚大学分别排名第二和第三。前10的科研机构中,美国共有7所,这表明美国对石墨烯的前沿研究贡献巨大,同时也说明了美国在顶尖的研究实力强大。另外3所科研机构分别来自于英国的曼切斯特大学、日本的日本物质材料研究机构和中国的中国科学院。虽然中国科研机构在所有论文数量比美国有很大的优势,但是在顶尖领域相较于美国还有很长的一段路要走。

  锂离子电池以其高容量、高电压、高循环稳定性、高能量密度、无环境污染等优异的性能倍受青睐,被称为21世纪的绿色能源和主导电源,具有广泛的民用和国防应用前景,其应用领域不断扩大,不仅已经广泛而成功地应用于各种便携式电子产品,已经开始向动力电池方向发展。目前锂离子电池及其关键材料已成为各国关注的一个科技和产业焦点,也是我国能源领域重点扶持的高新技术产业。锂离子电池实现商业化到现在,所用的负极材料最成熟,应用最广的是碳材料,其中最主要的依然是石墨。天然石墨有着成本低、结晶程度高,提纯、粉碎、分级技术成熟,充放电电压平台低,理论比容量高等基础优势。然而天然石墨的结构缺陷导致首次效率低,循环差。所以开发改性天然石墨方法,势在必行。

  自从石墨烯从2004年首次被分离出来,以及2010年石墨烯发现者获得诺贝尔奖后,石墨烯的研究热度从未消减。也许正是石墨烯的最初难题逐步得到解决,相关的研究也越来越成熟,这也导致了更多的科研人员参与研究,尽最大的可能发掘出石墨烯各方面的特性和优点。

  锂离子电池,又称为摇椅电池,他的主要组成部分是正极、负极、隔膜及电解液。当前锂离子动力电池正极一般采用尖晶石型 LiMn2O4或镍基层状氧化物, 负极以石墨为主,电解液为含 LiPF6 的碳酸酯(EC,EMC)有机溶液。LiMn2O4是一种被认为最安全的材料,也是最廉价的正极材料,已经被多种型号的动力电池采用。Li(NiCo)O2 容量高,但安全性能较差,需通过掺杂改性并限制其使用电压等手段来改善其安全性能;从整车安全和电池成本考虑,磷酸铁锂LiFePO4 安全性好、寿命长是最适合在汽车动力电池上应用的锂离子电池正极材料。

  作为锂离子电池负极石墨时,微晶石墨和鳞片石墨均有首次不可逆容量大的缺点,且鳞片石墨循环性能和大电流充放电性能差,因此,在使用时,研究者们往往侧重于对天然石墨进行改性研究,改善其自身结构缺点,提升电池的性能。其中,对石墨负极改性主要有表面处理、表面包覆以及元素掺杂等手段,下面将对其改性研究详细阐述。

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  从历年的数据来看,从1998年开始才有第一篇石墨烯相关的文章发表在Nature上,一直到今年共有152篇文章。在2009年以前,每年发表的论文比较少,甚至在2000年、2001年和2003年都没有相关的石墨烯研究发表。在2009后,几乎每年发文数量保持在两位数,尤其是今年上半年就有17篇,已经是历年最多的。另外,有29个国家或地区发表了Nature,有25个科研机构发表了Nature。

  通过表面包覆,减小石墨的比表面积,减小形成SEI膜消耗掉的锂,进而提高材料的首次库仑效率;

  历年石墨烯研究发表在Science上的论文总数为210篇。Science在2000年才有了第一篇石墨烯相关的文章,前几年研究成果较少,甚至在2002年、2003年和2005年都未曾发表一篇文章。在2006年后,每年的文章数量呈现波动上升趋势,在2014年和2016年达到了目前的顶峰,各有26篇文章发表。近两年石墨烯的研究论文稍有减少。另外,有31个国家或地区发表了Science,有25个科研机构发表了Science。

  表面氧化通常包括气相氧化和液相氧化两种。气相氧化主要是以空气,O2,O3,CO2,C2H2等气体为氧化剂,与石墨进行气固界面反应,减少石墨表面的活性点,降低首次不可逆容量损失,同时,生成更多的微孔和纳米孔道,增加锂离子的存贮空间,有利于提高可逆容量,改善负极性能。吴宇平等将普通的天然石墨在500 ℃下用空气做氧化剂来进行氧化改性。改性后石墨结构的稳定性得以提高,在去缺陷结构的同时增加了纳米级微孔及通道数目。另外,氧化时形成的氧化层与石墨结合紧密,形成致密的钝化膜,防止了电解液对石墨的溶剂化反应,提高了石墨的可逆容量。液相氧化法是利用硫酸铈、硫酸、硝酸、过氧化氢等强氧化剂溶液,通过液相-固相反应来实现。尹鸽平等利用硫酸和过硫酸铵饱和溶液对天然石墨进行表面氧化,将石墨的可逆容量提高至349 mAhg-1,首次库仑效率有一定提高。

  联系电话 E-mail:地址:鹤岗市向阳区红军路三道街 邮编:154100

  GME表示,NiWest镍、钴项目将加速开发锂离子电池原料市场的步伐

  4.发表论文最多的机构 随着石墨烯研究越来越热门,全球的科研机构都在积极研究相关领域的难题,其中中国科学院更是发文11481篇,位列第一,是目前唯一一个发文数量上万的科研机构,美国能源部以2909篇文章列第二,数量上远远落后于中国科学院,中国科学院大学第三,达2833篇。下表是发表文章数排名前10的研究机构及其所占比例的统计情况。从表中看出,前10的机构中中国有4所顶尖科研机构,分别为中国科学院、中国科学院大学、清华大学和中国科学技术大学,同时也说明了石墨烯研究在中国比较热门。另外美国也有两所顶尖科研机构上榜,分别是美国能源部和加州大学。同样的,新加坡也有南洋理工大学和新加坡国立教育学院进入前十,说明新加坡在石墨烯方面的研究实力不容小觑。

  在石墨外包覆一层无定形碳制成“核-壳”结构的C/C复合材料,使无定形碳与溶剂接触,避免溶剂与石墨的直接接触,阻止因溶剂分子的共嵌入导致的石墨层状剥离现象,扩大了电解液的选择范围,王国平等人将天然鳞片石墨制成球形石墨,在其表面包覆一层纳米非石墨化碳材料制成具有核-壳结构的改性球形石墨,改性后的球形石墨振实密度明显提升,且可逆容量提升至365 mAhg-1,同时,首次库仑效率和循环稳定性也得到显著地提升。

  Nature & Science历年都是代表着科研行业内的顶级标杆,能在Nature或Science上发表一篇,不知道是多少科研人员梦寐以求的。同样的,小编也在科研奋斗的道路上立下了一个小目标--能发表到Nature或Science上。(以下是数据统计来自于29个国家或地区)

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