是不是石墨烯?调查为特斯拉Model 3和Chargeasap充电宝供电的松下NCR 21700
Ali Khazaeli博士
松下是全球五大锂离子电池制造商之一。他们与特斯拉合作，在内华达州[2]建造了超级工厂，并为Model 3电动汽车(EV)设计了NCR 21700电池。该电池受益于5%的能量密度提高，并通过增加阴极材料中的镍含量，即(NCA:锂镍钴铝氧化物(LiNixCoyAlzO2))，并在阳极[3]中引入硅。
松下NCR 21700和特斯拉model 3:
NCR 21700电池旨在提高功率和能量密度，超越松下PAN BD 18650电池[4]。尽管NCA电池理论上提供了与锂镍锰钴氧化物(NMC)电池相似的能量密度和功率密度，但由于放电过程中阴极氧化层的形成，增加了电池的阻抗，其快速充电更具挑战性。为了解决这个问题，特斯拉设计了一个加热管理系统，在快速充电前将电池加热到特定的温度。这种方法可以在不影响电池循环寿命的情况下将充电时间缩短至~ 80分钟。
松下NCR 21700和Chargeasap FLA201G 210 W充电宝:
Chargeasap是一家位于澳大利亚悉尼的初创公司，旨在为移动设备创造创新的充电配件。他们通常通过众筹的方式推出产品。有趣的是，Chargeasap FLA201G充电宝使用了四块松下NCR 21700电池。Chargeasap声称，这些NCR 21700电池得益于石墨烯技术，可以在短短70分钟(20,000毫安时)内充满电，或在短短35分钟内充满80%(16,000毫安时)。Chargeasap声明的争议之处在于，特斯拉从未在NCR 21700的任何描述中提到石墨烯的应用。随着人们对特斯拉和NCR 217000电池的兴趣越来越大，TechInsights想要揭开这个谜团，了解这种电池的底层技术。
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我们打开Chargeasap FLA201G充电宝，发现电池组由四个松下NCR 21700系列(4S)组成。图1显示了设备内部及其电池。
图1:FLA201G充电宝内部。
电池
电池呈圆柱形(长70.5毫米，直径21.1毫米)，容量为4800mAh，平均电池电压为3.7 V
图2显示了在FLA201G 210 W充电宝中使用的单个电池。
图2:FLA201G充电宝中使用的单个圆柱形电池。
电池材料
使用不同的方法对电池的不同组件进行了表征，包括扫描电子显微镜(SEM)与不同位置和放大倍率的能量色散x射线光谱(EDX)，傅氏变换红外光谱(FTIR)和拉曼光谱。深入观察电池结构(图3)，我们看到电池果冻卷由~165微米厚的层组成，包括铝集流器，阴极材料，聚合分离器，阳极材料和铜集流器[6]。
正如预期的那样，我们的能量色散x射线能谱(EDX)测试结果证实了阴极活性物质是锂镍钴氧化铝。阳极由含有嵌入式氧化硅(SiOx或SiO)颗粒的石墨形成。加入二氧化硅可以形成硅化锂，每一个硅原子可以结合四个锂离子，从而增加电池的容量。理论上，“在给定体积内，硅阳极可以存储十倍于石墨阳极的电荷——能量密度高出一个数量级”[5]。
图3:胶凝辊的详细扫描电镜截面。
石墨烯存在于阳极活性材料中
通过从阳极胶团的3个不同部位(开始、中间和端点)采集样品，用拉曼光谱评估石墨烯的存在，结果如图4所示。分析光谱表明，该电池阳极中没有使用石墨烯作为添加剂，拉曼光谱与球磨石墨匹配良好。现在，一个问题出现了，为什么Chargeasap声称这种电池中存在石墨烯?这可能是由于球磨石墨具有与石墨烯纳米薄片相似的拉曼光谱。为了更好地理解这一说法，我们需要深入了解石墨和石墨烯的拉曼光谱。石墨烯的拉曼光谱主要有三个波段，如图4所示，分别是g波段、d波段和2d波段。这些条带表明了石墨烯的层数和样品的质量。g波段和2d波段将永远存在。然而，d波段只能在石墨烯和石墨都含有缺陷的样品中看到。2D能带提供了关于石墨烯存在的决定性信息[7,8]。
图4:松下NCR 21700阳极的拉曼光谱图。
在纯石墨烯的情况下，位于~2700 cm−1的2D带是一个尖锐而对称的峰。而在石墨的拉曼光谱中，二维波段由两个元素形成，导致不对称峰。这种峰的演化是由于石墨是多层堆叠的石墨烯层。当石墨烯层数增加到约10层时，其轮廓与石墨相似[7,8]。此外，在纯石墨烯的情况下，2D带的强度将高于G带。
图4显示，2D带轻微偏离对称形状，表明石墨烯层堆叠(几乎5层)。然而，2D波段的强度明显低于g波段。在纯石墨烯的情况下，2D带的强度将高于G带的强度。
d带的存在表明颗粒中存在缺陷，说明电池制造过程中存在球磨过程。球磨石墨或“纳米石墨”由球形颗粒组成，其中含有高度缺陷的晶体结构，这是球磨的直接结果。这些结构在文献中被命名为石墨烯纳米片或多层石墨烯。然而，长时间的球磨过程(24小时)会导致石墨烯纳米薄片从石墨上脱落。以NCR 21700为例，球磨过程估计约为12小时。，leading to a marginal exfoliation of the graphite and the formation of graphene nanoplatelets (GNP) [9]. Therefore, the existence of a fraction of GNPs should not be mistaken by the application of graphene (like reduced graphene oxide) as an additive in the anode of lithium-ion batteries.
要了解大量石墨烯添加到阳极以大幅提高锂离子电池的功率密度的实际示例，请参阅我们最近题为“LPR石墨烯-4石墨烯增强阳极LiPo (RC汽车包)”在我们的电池精华频道[10]。
有关松下NCR 21700电池的更多信息，包括活性材料(NCA和石墨)，掺杂颗粒，分离器和电解质成分的存在，请参阅题为“完整报告”的完整报告“松下NCR 21700 LIB (Chargeasap)”[6]。
参考文献
- 《2019年五大锂离子电池制造商展望》，Seeking Alpha
- “特斯拉Gigafactory”
- “松下提高了能量密度，在特斯拉的新2170电池中减少了钴。
- 《关于21700电池你需要知道的一切》，DNK Power
- “硅阳极结构为锂离子电池带来了新的潜力，”科学日报
- 应用说明:石墨烯拉曼显微镜。
- Bîru, Elena Iuliana和Horia Iovu。“拉曼光谱研究石墨烯纳米复合材料。”拉曼光谱9(2018):179。
- Kaniyoor, Adarsh和Sundara Ramaprabhu。氧化石墨衍生石墨烯的拉曼光谱研究 Aip先进 2.3(2012):032183。
