石墨烯電池的應(yīng)用或?qū)⒏淖兪磥淼陌l(fā)展前景
石墨烯電池的應(yīng)用或?qū)⒏淖兪磥淼陌l(fā)展前景
人造“超級礦物”石墨烯雖然尚未在工業(yè)上投入商業(yè)應(yīng)用，但在電池方面具有巨大的潛力，預(yù)計未來幾年將出現(xiàn)巨大增長。這些礦物的前景如何?
石墨烯電池的應(yīng)用或?qū)⒏淖兪磥淼陌l(fā)展前景
石墨烯是一種二維原子層的石墨
隨著政府、企業(yè)和個人轉(zhuǎn)向電池為間歇性可再生能源和電動汽車提供能量儲存，鋰離子電池市場必將蓬勃發(fā)展。到2040年，預(yù)計全球?qū)⒂?.3億輛電動汽車。許多公司已經(jīng)在擴(kuò)大電池技術(shù)的生產(chǎn)，特斯拉(Tesla)及其超級工廠就是其中的佼佼者。據(jù)彭博新能源財經(jīng)報道，到2021年，電動汽車鋰離子電池的產(chǎn)量將從目前的9000千瓦時提高到270千瓦時。
電池礦物，特別是鋰和鈷，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。
但是石墨，地球上自然存在的三種碳之一，經(jīng)常被忽視。鋰離子電池中石墨的含量是鋰離子電池的40倍。這是推動稀土需求增長的關(guān)鍵因素之一。到2020年，稀土需求將飆升200%。這一需求使石墨價格在2016年12月至2017年12月期間上漲了25%。
最近開發(fā)的一種“超級礦物”，可以顯著改善電池技術(shù)，這是推動石墨烯另一個的因素。今年早些時候，三星宣布計劃在其手機(jī)電池中加入石墨烯離子，幫助電池充電更快、續(xù)航時間更長。隨著石墨烯在石墨上發(fā)光，對需求意味著什么?
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鋰離子電池中石墨的含量是鋰離子電池的40倍
石墨烯：新一代技術(shù)
曼徹斯特大學(xué)的科學(xué)家們從2004年開始開發(fā)石墨烯。它是一種二維石墨原子層，通常通過機(jī)械剝落形成。2010年，該大學(xué)的科學(xué)家因這一發(fā)現(xiàn)獲得了諾貝爾獎。
石墨烯是一個革命性的產(chǎn)品,可以讓互聯(lián)網(wǎng)連接更快、過濾海水,讓手機(jī)屏幕牢不可破,顯然是一個典型的例子,英國企業(yè)的創(chuàng)新能力改變制造業(yè)在全球范圍內(nèi)的景觀。
迄今為止，石墨烯是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最強(qiáng)礦物，強(qiáng)度是鉆石的40倍。它作為導(dǎo)熱體和導(dǎo)電體比石墨更有效。在過去的8年里，石墨烯的潛在用途得到了越來越多的探索，包括在超級電容器和過濾膜中的應(yīng)用。石墨烯的傳輸速度是鋰的140倍，而重量是鋁的100倍。這意味著它可以將標(biāo)準(zhǔn)鋰離子電池的功率密度提高45%。少量的石墨烯也將大有裨益，這將增加其經(jīng)濟(jì)吸引力。
但是，石墨烯的商業(yè)化至今因缺乏標(biāo)準(zhǔn)化而受阻。今年7月，曼徹斯特大學(xué)國家物理實(shí)驗(yàn)室和國家石墨烯研究所推出了全球首個石墨烯表征服務(wù)。這項(xiàng)服務(wù)將提供學(xué)術(shù)界和工業(yè)界之間缺失的一環(huán)，并將在未來幾年徹底改變石墨烯商業(yè)化的方式。這受到了研究人員和石墨烯行業(yè)人士的歡迎。
因?yàn)槟壳斑€沒有石墨烯的確切定義標(biāo)準(zhǔn)，如果我們想看到終端用戶的大量購買，就需要解決這個問題。一個清晰的框架應(yīng)該通過確保購買協(xié)議對買賣雙方都是公平的，從而減輕商品的銷售。
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石墨：任重道遠(yuǎn)
隨著鋰離子電池的發(fā)展，對石墨的需求越來越大。美國和歐盟(eu)都已將其列為戰(zhàn)略礦產(chǎn)，這鞏固了其重要性。石墨最常用來制造鋼鐵，因?yàn)樗诟哌_(dá)3600℃的溫度下保持剛性，但它已經(jīng)在數(shù)百個行業(yè)中使用了數(shù)千年。它導(dǎo)熱性和電導(dǎo)率都很高。
石墨是純碳的軟形式，通常在自然環(huán)境中以片狀或塊狀存在。該方法可以綜合構(gòu)建，但由于成本較高，開采難度較大。這種商品在世界各地開采，包括巴西、印度和馬達(dá)加斯加。中國是世界上最大的石墨生產(chǎn)國，但最近由于中國努力減少污染和保護(hù)環(huán)境而減少的碳排放可能會改變這一狀況。
目前，只有5%的石墨用于電池。然而，隨著各國(尤其是中國)向低碳經(jīng)濟(jì)邁進(jìn)，這種情況似乎將發(fā)生改變。為減少污染和減緩氣候變化而轉(zhuǎn)向可再生技術(shù)的努力受到了間歇性技術(shù)的阻礙。
人們常常哀嘆，當(dāng)太陽照耀時，太陽能是巨大的，當(dāng)風(fēng)吹時，風(fēng)力渦輪機(jī)是輝煌的，但兩者都不能產(chǎn)生基本負(fù)載的電力。繞過這一抱怨的一項(xiàng)努力是開發(fā)存儲技術(shù)，以平衡生產(chǎn)和需求。
目前，這主要集中在各種尺寸的鋰離子電池上。從特斯拉(Tesla)在澳大利亞推出的巨型動力電池組(Powerpack)等巨型電池，到用于電動汽車的電池，這些電池都有一個共同點(diǎn):它們都需要大量石墨。
需求已經(jīng)呈指數(shù)級增長，并導(dǎo)致人們預(yù)測，到2020年，石墨市場可能增至25萬噸。隨著世界轉(zhuǎn)向電池，采礦業(yè)務(wù)將不得不擴(kuò)大，以滿足需求，目前北美最大的石墨礦年產(chǎn)量只有25000噸。
雖然合成石墨可以用于電池技術(shù)，但生產(chǎn)它所需要的大量煤炭大大降低了它的環(huán)保資質(zhì)。
這使得分析人士預(yù)測，人們對開采石墨的興趣將會上升，而不是合成這種大宗商品。
石墨和石墨烯在聚光燈下
未來幾年，對石墨的需求將會增長，如果石墨烯真的成為一種電池材料，供應(yīng)限制可能會進(jìn)一步加劇。許多人對這種人造礦物及其對電池技術(shù)的影響寄予厚望。預(yù)計石墨烯在未來10年將有強(qiáng)勁的增長。
它的不斷發(fā)展和商業(yè)化無疑將影響人們對石墨的關(guān)注。技術(shù)的飛速發(fā)展提高了石墨的加工水平，增加了天然石墨的吸引力。美國地質(zhì)調(diào)查局(US Geological Survey)表示:“能夠生產(chǎn)更高純度石墨粉末的熱工技術(shù)和酸浸技術(shù)的進(jìn)步，可能會導(dǎo)致石墨在高科技領(lǐng)域的新應(yīng)用開發(fā)。”
這種創(chuàng)新的精煉技術(shù)使改進(jìn)后的石墨能夠用于碳石墨復(fù)合材料、電子、箔、摩擦材料和特殊潤滑劑的應(yīng)用。柔性石墨生產(chǎn)線，如石墨烯透明導(dǎo)電膜，可能是增長最快的市場。
大規(guī)模的燃料電池應(yīng)用正在開發(fā)中，它消耗的石墨可能與其他所有用途的總和一樣多。隨著世界繼續(xù)轉(zhuǎn)向更清潔的能源體系，石墨和“超級礦物”石墨烯似乎將開始證明它們的潛力。
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