石墨是要怎么樣在鋰電池中發揮用途的？

石墨來自希臘語graphein。它具有耐熱性，導電性和導熱性，化學鈍化（耐腐蝕），比鋁輕。除鋰離子陽極外，高級石墨還用于燃料動力電池，太陽能電池，半導體，LED和核反應堆。加工純度為99.99％的陽極級石墨是昂貴的，并且該過程出現浪費。最終成本不是材料，而是純化過程。回收舊的鋰離子以回收石墨不會處理這個問題，因為這是一個繁瑣的凈化過程。

碳和石墨是相關物質。石墨是碳的同素異形體，是通過以不同方式將元素結合在一起而發生的結構修飾。石墨是最穩定的碳形式。鉆石是一種亞穩態碳同素異形體，以其優異的物理性質而聞名，不如石墨穩定，石墨是柔軟和可塑的。碳纖維的直徑約5-10微米，是人類頭發厚度的十分之一。碳原子在微觀晶體中結合在一起并且非常堅固。它們以紡織品方式編織并與聚合物基質混合，聚合物基質是一種硬化形式的碳纖維，與鋼相同堅固但更輕。這些材料用于高爾夫球桿和自行車車架，以及汽車和飛機的車身部件以取代鋁。波音787和空中客車350X廣泛使用碳纖維。目前，電池用石墨僅占全球需求的5％。

石墨有兩種形式：來自礦山的天然石墨和來自石油焦的合成石墨。兩種類型都用于鋰離子陽極材料，55％傾向于合成和天然石墨的平衡。制造商首選合成石墨，因為它具有優于天然石墨的稠度和純度。這種情況正在發生變化，通過現代化學純化工藝和熱解決，天然石墨的純度達到99.9％，而合成當量的純度達到99.0％。純化的天然鱗片石墨具有更高的晶體結構，并且比合成材料具有更好的導電性和導熱性。改用天然石墨可降低加工成本，同時具有相同或更好的鋰離子性能。鋰離子合成石墨每噸售價約10,000美元，而天然鱗片制成的球形石墨售價7,000美元（2015年價格）。未出產的天然石墨便宜得多，除了成本之外，天然石墨比合成石墨更環保;它也是石墨烯的基礎，是科學家的夢想。截至2016年底，天然石墨占市場份額的60-65％;合成成分約為30％，而鈦酸鋰，硅和錫等替代品約為5％。

石墨烯

石墨烯是二維六方晶格形式的碳的同素異形體。石墨烯呈今朝一片純碳中，惟有一個原子厚。它靈活，透亮，不透水分，比鉆石更堅固，比金更具導電性。專家暗示石墨烯是一種奇跡材料，可以改善許多產品，包括電池。據說石墨烯陽極比石墨陽極更好地保持能量，并且保證充電時間比目前鋰電池的速度快十倍。

關于傳統的石墨陽極，鋰離子積聚在陽極的外表面周圍。通過使鋰離子穿過尺寸為10-20nm的石墨烯薄片的微孔，石墨烯具有更優雅的處理辦法。這保證了最佳的存儲區域和易于提取。一旦可用，估計這種電池比具有常規石墨陽極的鋰電池存儲的電能多十倍。通過向陰極添加氧化釩實現石墨烯的進一步改進。據說具有這種加強功能的試驗電池在20秒內再充電，并在1000次循環后保持90％的容量。石墨烯也在超級電容器中進行探測，以提高比能量密度，以及太陽能電池。下圖顯示了使用掃描探針顯微鏡（SPM）可見的石墨烯的神奇晶格。

石墨烯結構

掃描探針顯微鏡（SPM）顯示石墨烯的圖像

幾十年來，科學家們對石墨烯的奇跡進行了理論研究，但沒有商業產品專門使用這種分明的奇跡材料。石墨烯的奇跡很可能在鉛筆和其他產品中不知不覺地被使用了幾個世紀，所以要更好地知道其機制，最終將導致產品的改進。

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