黑科技石墨烯电池助你远离“里程焦虑症”石墨负极在充放电过程中的相变机

　　正道汽车在今年上海车展展出H600车型，该车最大的亮点是采用"微型涡轮发电机增程器+超级电池"的动力组合，可以说是其最瞩目的焦点技术，其"微型涡轮发电机增程器+超级电池"的动力组合属于增程式电动汽车范畴，石墨烯超级电池储能密度高达每公斤300瓦时，石墨烯电池可持续充放电超过4万次。油电相加综合续驶里程超过1000公里，0~100km/h加速时间仅2.9秒。

　　据悉，该石墨烯钛酸锂电池由正道汽车开发，可以实现10~15分钟快速充电，与传统新能源汽车相比，可以提升30%的效能，电池寿命长达10年左右。在续驶里程成为当下新能源汽车"鸡肋"的情况下，正道汽车可以说是针对目前新能源车型充电、续驶里程问题，带来了一剂"猛药"。但是，这些数值仅限于概念车部分，距离未来量产阶段还有很长一段时间，超级电池是否真正能达到1000公里以上的续驶里程，还需要通过实际体验来说话。正道H600在之前的日内瓦车展上已经亮相，这次上海车展期间，正道汽车还带来了其他两款概念车型，分别是正道K550和正道K750。

　　从目前来看，石墨烯确实是比现在的技术要先进很多，但受制于成本和自身特性，现在是难以在各个领域取代传统锂电池的。总的来说，石墨烯锂电池现在仍然是一个实验室产品，并且在实验室中其实已经有过纳米技术等一系列提高热稳定性和寿命的酷炫方法，石墨烯不过是其中之一而已。石墨烯电池的未来会如何发展，还需要接受市场和用户的检验。

　　石墨负极在充放电过程中的相变机理研究

　　现代锂离子电池是建立在石墨负极的基础上发展起来的，在充电的过程中Li+从正极晶格结构中脱出，经过电解液扩散到石墨负极的表面，然后嵌入到石墨结构中，X射线衍射、中子衍射等手段都显示，随着Li+嵌入到石墨结构中的数量增加，会形成LiC12化合物，Li浓度继续增加，最后形成LiC6化合物，整个过程分为很多步实现，目前的研究显示完成LiC6嵌入的过程可以分为4个阶段或者8个阶段。

　　近日来自德国Otto Schott材料研究所的MarTIn Dru?e，利用XRD技术和金相显微镜技术对石墨负极在嵌锂和脱嵌过程中物相变化进行了详细的研究，研究显示石墨负极在嵌锂和脱嵌的过程中具有不同的反应机理，LiC12是一种非化学计量比的固溶体化合物。

　　实验中MarTIn Dru?e石墨片（SGL Carbon Sigrafine7500）和金属锂粉在330℃下合成了金色的LiC6，其他不同嵌锂状态的石墨样品是通过将LiC6在真空中进行焙烧，使Li挥发获得。MarTIn Dru?e还制备了具有梯度Li浓度分布的石墨片，如下图b所示。

　　样品的XRD衍射技术曲线如下图所示，其中图a为石墨片的XRD图，从图上可以看到，（002）衍射峰向低角度有少量移动，表明C轴的晶包参数有所增大，（100）和（101）衍射峰之间变宽，而（102）衍射峰则完全消失，这表明石墨片是一个无序混乱排布，这可能是石墨粉碾压成石墨片的生产过程造成的，LiC6材料的XRD图显示石墨片中无秩序的混乱排布特点在嵌锂后被保留下来。

　　下图是原始的、经过抛光处理和热处理过的LiC6材料，以及石墨材料的XRD图，从图上我们可以看到原始的LiC6材料的（001）衍射峰在24.5°，并且衍射峰比较宽，这可能是因为LiC6材料较差的结晶度，或者是含有相当数量的LiC12所致。

　　经过抛光后，在（001）衍射峰中出现了LiC12的（002）衍射峰，这可能是因为抛光过程中由于Li的损失导致结构有轻微的改变。在330℃下处理不同的时间可以获得不同嵌锂量的石墨材料，经过72h处理后，LiC12的（002）衍射峰更加明显， LiC6的（001）衍射峰则开始下降，说明由于Li数量的减少LiC12的比例开始增加，LiC6的比例开始下降。处理96h后，XRD图中就不再含有（001）衍射峰了，（002）衍射峰的位置也向更大的角度移动，说明此时样品中已经不含LiC6。处理146h后，样品的XRD图与热处理96h的样品相比几乎没有变化。经过240h热处理后的样品，（002）衍射峰则明显向更大角度（29°）偏移，说明LiC12的c轴晶格参数显著的减小，石墨的（101）衍射峰和（004）衍射峰则显示该样品中的Li不均匀的分布在石墨晶格中。

　　下图是不同嵌锂的石墨样品的c轴晶格参数变化数据，从图上可以看到，LiC6成分直到分解消失其c轴晶格参数都非常稳定，而LiC12成分的c轴晶格参数则随着Li含量的降低而减小，因此在石墨结构中形成的很有可能是固溶体结构。

下图是不同嵌锂样品石墨的金相显微镜图片，其中图a为抛光后的LiC6样品，可以看出该样品内含有10-20um直径的金黄色颗粒（LiC6），周围分布着暗红色的相（LiC12）。图b为在330℃下