淺析石墨烯基鋰離子電池結構和產業化

淺析石墨烯基鋰離子電池結構和產業化

目前市面上宣稱的“石墨烯電池”是一個不準確的概念，準確的講基本上都是在材料中加入一點石墨烯，以提高鋰電池的部分性能，可以稱為石墨烯基鋰離子電池。


石墨烯的性能優異毋庸置疑，但是它是否就一定適合用于鋰離子電池呢？目前市面上宣稱的“石墨烯電池”是一個不準確的概念，準確的講基本上都是在材料中加入一點石墨烯，以提高鋰電池的部分性能，可以稱為石墨烯基鋰離子電池。不排除實驗室內有石墨烯作為負極材料制作鋰電池或超級電容器，但是要求比較高。綜上，石墨烯可以作為鋰電池的調味品，但是作為主材就不太合適了。

1.石墨烯的結構和性質
物理結構：石墨烯，是由碳原子組成的單原子層平面薄膜，厚度僅為0.34納米，單層厚度相當于頭發絲直徑的十五萬分之一。是目前世界上已知的最輕薄、最堅硬的納米材料，透光性好，能折疊。因為只有一層原子，電子的運動被限制在一個平面上，石墨烯也有著全新的電學屬性。石墨烯比表面積約為2630m2/g，熱導率為5000W/m;k。

電學特性：石墨烯具有獨特的載流子特性和無質量的狄拉克費米子屬性。其電子遷移率可達到2×105cm2/Vt;s，約為硅中電子遷移率的140倍，砷化鎵的20倍，溫度穩定性高，電導率可達108Ω/m，面電阻約為31Ω/sq（310Ω/m2），比銅或銀更低，是室溫下導電最好的材料。

另外，石墨烯中電子載體和空穴載流子的半整數量子霍爾效應可以通過電場作用改變化學勢而被觀察到，而Novoselov等在室溫條件下就觀察到了石墨烯的這種量子霍爾效應。

2.石墨烯在鋰電池中的角色
正是由于石墨烯有以上的納米尺寸效應、具有極大的比表面積、良好的導電性以及優秀的機械性能等特性，石墨烯被世界各地科學家廣泛研究，并制造出了“石墨烯鋰電池”這樣的概念，石墨烯是以什么角色參與到鋰電池中的呢？

1)負極材料
石墨烯由于其獨特的二維結構、優異的電子傳輸能力以及超大的比表面積等優勢極有潛力替代石墨成為新一代鋰離子電池負極材料。石墨烯的儲鋰機制與其他碳材料相似，充電時鋰離子從正極脫出經過電解質嵌入碳材料層間形成形成Li2C6，放電時鋰離子脫出返回正極。由于石墨烯的特殊二維結構，當其片層間距大于0.7nm時，石墨烯的兩面都可以存儲鋰離子，同時由于石墨烯有褶皺存在也可以進行存鋰，所以理論上其容量可能是石墨的兩倍，高于744mAh/g。

另外，石墨烯多為微納米尺寸，遠小于體相石墨，使得Li離子的擴散路徑變短，石墨烯的層間距通常也遠遠大于石墨，也為鋰離子的傳輸提供了更多的通道。因此較之石墨，以石墨烯為負極更有利于提高電池性能。從石墨烯電池的概念提出以來，很多學術研究成果表明石墨烯鋰電池可逆容量可達500mAh/g以上，以及具有出色的倍率性能。實驗室條件下制備的鋰電負極多采用CVD法、水合肼還原、真空抽濾和冷凍干燥法等等制備石墨烯，或為片狀或為空心球狀，各不相同。

2)石墨烯作為導電劑
導電劑的首要作用是提高電子電導率，由于電解液是離子導電的，而電子是無法傳導的，故導電劑是促進電子快速穿過活物質到達集流體。另外，導電劑也可以提高極片加工性，促進電解液對極片的浸潤，降低電阻率，從而提高鋰電池的使用壽命。

目前常用的導電劑有SP、乙炔黑等，傳統炭黑為球狀，將其與活物質混合時更易相互混合均勻，但是其接觸形式為點點接觸，限制了導電作用的發揮，增加了導電劑添加量。而是石墨烯是片狀結構，與活性物質的接觸為點-面接觸，可以最大化的發揮導電劑等作用，減少導電劑的用量，從而可以多使用活性物質，提升鋰電池容量。但是石墨烯的片狀也是它的弊端所在，片狀的石墨烯在溶劑中更難分散，更易團聚在一起，反倒需要增加石墨烯的用量。同時，其片狀結構不利于鋰離子的擴散，造成電芯內阻增大，電池失效加快。

理論上，石墨烯的超快導電性能夠提高電池的倍率性能，但是事實是石墨烯的單片層結果阻礙了鋰離子的擴散，尤其是在大倍率充放電時電池內部極化加重，電池放電容量降低。相關研究表明，在低倍率放電條件下，用石墨烯部分替代導電炭黑能夠一定程度上降低導電劑用量，提高電池能量密度，過猶不及。

3.石墨烯鋰電池產業化進程？
實驗室和研發條件下制備的石墨烯負極材料和石墨烯導電劑的成功例子為工業生產中石墨烯鋰離子電池的產品化提供了雄厚的科研基礎，那么現實中的石墨烯鋰電池是什么情況呢？

第一款產品是東旭光電于2016年推出的產品“烯王”。2016年7月8日，東旭光電在釣魚臺舉辦了石墨烯基鋰離子電池產品發布會，推出了世界首款石墨烯基鋰離子電池產品——“烯王”。

第二款產品是2016年12月華為推出的業界首個高溫長壽命石墨烯助力的鋰電池。石墨烯助力的高溫鋰離子電池技術突破主要來自三個方面：在電解液中加入特殊添加劑，除去痕量水，避免電解液的高溫分解；電池正極選用改性的大單晶三元材料，提高材料的熱穩定性；同時，采用新型材料石墨烯，可實現鋰離子電池與環境間的高效散熱。

第三款產品是傳媒所說的東旭光電和貝斯特做的“國產石墨烯電池”，事實是石墨烯用在了隔膜上……

當然，市面上不斷的有各種石墨烯鋰電池專利被爆出來，但是也僅僅停留在專利階段。包括三星、松下、LG等等都有石墨烯的相關專利申請。目前市面上還沒有企業對石墨烯基鋰離子電池進行量產。

4.總結一下
石墨烯的性能優異毋庸置疑，但是它是否就一定適合用于鋰離子電池呢？以小編淺見，石墨烯并不適合用于鋰離子電池，考慮如下：

1.成本問題
使用石墨烯作為導電劑成本比普通的炭黑高多了，鋰電池的成本是關鍵的控制因素，不降低原材料的成本，即使石墨烯電學性能再好，一噸幾十萬的成本消耗電池廠家也用不起。

2.工藝問題
石墨烯的片狀結構帶來的工藝問題主要是電極漿料的制備。電極漿料要求具有很好的流動性、分散性和合適的粘度。片狀石墨烯在電極漿料中的分散是個很棘手的問題，尤其是電極漿料無法添加分散劑來助分散。石墨烯的表面積很大，對于漿料的沉降穩定性有很大的影響，且無法保證各批次一致性，影響電池性能。

3.其它因素
石墨烯的片狀結構抑制鋰離子的擴散，容易造成電池極化嚴重，造成電池容量降低。石墨烯表面豐富的官能團就是石墨烯表面的小傷口，添加過多不僅會降低電池能量密度，而且會增加電解液吸液量，另外一方面還會增加與電解液的副反應而影響循環性，甚至有可能帶來安全性問題。

目前市面上宣稱的“石墨烯電池”是一個不準確的概念，準確的講基本上都是在材料中加入一點石墨烯，以提高鋰電池的部分性能，可以叫為石墨烯基鋰離子電池。不排除實驗室內有石墨烯作為負極材料制作鋰電池或超級電容器，但是要求比較高。綜上，石墨烯可以作為鋰電池的調味品，但是作為主材就不太合適了。

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