淺析石墨烯基鋰離子電池結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)化

淺析石墨烯基鋰離子電池結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)化

目前市面上宣稱的“石墨烯電池”是一個(gè)不準(zhǔn)確的概念，準(zhǔn)確的講基本上都是在材料中加入一點(diǎn)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(yōu)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(gè)不準(zhǔn)確的概念，準(zhǔn)確的講基本上都是在材料中加入一點(diǎn)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(shí)驗(yàn)室內(nèi)有石墨烯作為負(fù)極材料制作鋰電池或超級(jí)電容器，但是要求比較高。綜上，石墨烯可以作為鋰電池的調(diào)味品，但是作為主材就不太合適了。

1.石墨烯的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)
物理結(jié)構(gòu)：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(dāng)于頭發(fā)絲直徑的十五萬(wàn)分之一。是目前世界上已知的最輕薄、最堅(jiān)硬的納米材料，透光性好，能折疊。因?yàn)橹挥幸粚釉樱娮拥倪\(yùn)動(dòng)被限制在一個(gè)平面上，石墨烯也有著全新的電學(xué)屬性。石墨烯比表面積約為2630m2/g，熱導(dǎo)率為5000W/m;k。

電學(xué)特性：石墨烯具有獨(dú)特的載流子特性和無(wú)質(zhì)量的狄拉克費(fèi)米子屬性。其電子遷移率可達(dá)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(wěn)定性高，電導(dǎo)率可達(dá)108Ω/m，面電阻約為31Ω/sq（310Ω/m2），比銅或銀更低，是室溫下導(dǎo)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(shù)量子霍爾效應(yīng)可以通過電場(chǎng)作用改變化學(xué)勢(shì)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(yīng)。

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(yīng)、具有極大的比表面積、良好的導(dǎo)電性以及優(yōu)秀的機(jī)械性能等特性，石墨烯被世界各地科學(xué)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(fù)極材料
石墨烯由于其獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的電子傳輸能力以及超大的比表面積等優(yōu)勢(shì)極有潛力替代石墨成為新一代鋰離子電池負(fù)極材料。石墨烯的儲(chǔ)鋰機(jī)制與其他碳材料相似，充電時(shí)鋰離子從正極脫出經(jīng)過電解質(zhì)嵌入碳材料層間形成形成Li2C6，放電時(shí)鋰離子脫出返回正極。由于石墨烯的特殊二維結(jié)構(gòu)，當(dāng)其片層間距大于0.7nm時(shí)，石墨烯的兩面都可以存儲(chǔ)鋰離子，同時(shí)由于石墨烯有褶皺存在也可以進(jìn)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(yuǎn)小于體相石墨，使得Li離子的擴(kuò)散路徑變短，石墨烯的層間距通常也遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(fù)極更有利于提高電池性能。從石墨烯電池的概念提出以來(lái)，很多學(xué)術(shù)研究成果表明石墨烯鋰電池可逆容量可達(dá)500mAh/g以上，以及具有出色的倍率性能。實(shí)驗(yàn)室條件下制備的鋰電負(fù)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?yàn)槠瑺罨驗(yàn)榭招那驙睿鞑幌嗤?br>
2)石墨烯作為導(dǎo)電劑
導(dǎo)電劑的首要作用是提高電子電導(dǎo)率，由于電解液是離子導(dǎo)電的，而電子是無(wú)法傳導(dǎo)的，故導(dǎo)電劑是促進(jìn)電子快速穿過活物質(zhì)到達(dá)集流體。另外，導(dǎo)電劑也可以提高極片加工性，促進(jìn)電解液對(duì)極片的浸潤(rùn)，降低電阻率，從而提高鋰電池的使用壽命。

目前常用的導(dǎo)電劑有SP、乙炔黑等，傳統(tǒng)炭黑為球狀，將其與活物質(zhì)混合時(shí)更易相互混合均勻，但是其接觸形式為點(diǎn)點(diǎn)接觸，限制了導(dǎo)電作用的發(fā)揮，增加了導(dǎo)電劑添加量。而是石墨烯是片狀結(jié)構(gòu)，與活性物質(zhì)的接觸為點(diǎn)-面接觸，可以最大化的發(fā)揮導(dǎo)電劑等作用，減少導(dǎo)電劑的用量，從而可以多使用活性物質(zhì)，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(tuán)聚在一起，反倒需要增加石墨烯的用量。同時(shí)，其片狀結(jié)構(gòu)不利于鋰離子的擴(kuò)散，造成電芯內(nèi)阻增大，電池失效加快。

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

3.石墨烯鋰電池產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程？
實(shí)驗(yàn)室和研發(fā)條件下制備的石墨烯負(fù)極材料和石墨烯導(dǎo)電劑的成功例子為工業(yè)生產(chǎn)中石墨烯鋰離子電池的產(chǎn)品化提供了雄厚的科研基礎(chǔ)，那么現(xiàn)實(shí)中的石墨烯鋰電池是什么情況呢？

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

第二款產(chǎn)品是2016年12月華為推出的業(yè)界首個(gè)高溫長(zhǎng)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(shù)突破主要來(lái)自三個(gè)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(wěn)定性；同時(shí)，采用新型材料石墨烯，可實(shí)現(xiàn)鋰離子電池與環(huán)境間的高效散熱。

第三款產(chǎn)品是傳媒所說的東旭光電和貝斯特做的“國(guó)產(chǎn)石墨烯電池”，事實(shí)是石墨烯用在了隔膜上……

當(dāng)然，市面上不斷的有各種石墨烯鋰電池專利被爆出來(lái)，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(guān)專利申請(qǐng)。目前市面上還沒有企業(yè)對(duì)石墨烯基鋰離子電池進(jìn)行量產(chǎn)。

4.總結(jié)一下
石墨烯的性能優(yōu)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(dǎo)電劑成本比普通的炭黑高多了，鋰電池的成本是關(guān)鍵的控制因素，不降低原材料的成本，即使石墨烯電學(xué)性能再好，一噸幾十萬(wàn)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(jié)構(gòu)帶來(lái)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(dòng)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(gè)很棘手的問題，尤其是電極漿料無(wú)法添加分散劑來(lái)助分散。石墨烯的表面積很大，對(duì)于漿料的沉降穩(wěn)定性有很大的影響，且無(wú)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(jié)構(gòu)抑制鋰離子的擴(kuò)散，容易造成電池極化嚴(yán)重，造成電池容量降低。石墨烯表面豐富的官能團(tuán)就是石墨烯表面的小傷口，添加過多不僅會(huì)降低電池能量密度，而且會(huì)增加電解液吸液量，另外一方面還會(huì)增加與電解液的副反應(yīng)而影響循環(huán)性，甚至有可能帶來(lái)安全性問題。

目前市面上宣稱的“石墨烯電池”是一個(gè)不準(zhǔn)確的概念，準(zhǔn)確的講基本上都是在材料中加入一點(diǎn)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(shí)驗(yàn)室內(nèi)有石墨烯作為負(fù)極材料制作鋰電池或超級(jí)電容器，但是要求比較高。綜上，石墨烯可以作為鋰電池的調(diào)味品，但是作為主材就不太合適了。

本文出自東莞市捷誠(chéng)石墨制品有限公司官網(wǎng)：http://m.qcwgm.com 權(quán)威發(fā)布，    東莞市捷誠(chéng)石墨制品有限公司是一家集銷售、應(yīng)用開發(fā)，產(chǎn)品加工的石墨專業(yè)廠家，專門為模具行業(yè)、機(jī)械行業(yè)、真空熱處理爐、電子半導(dǎo)體及太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)等提供石墨材料、石墨電極和相關(guān)的石墨制品，歡迎致電13549365158更多關(guān)于石墨制品方面信息，可回本網(wǎng)站產(chǎn)品頁(yè)面詳細(xì)了解點(diǎn)擊：石墨制品  石墨模具  石墨坩堝 石墨轉(zhuǎn)子 石墨軸承 石墨板 石墨棒 石墨匣體 石墨熱場(chǎng) 真空爐石墨制品 電子石墨模具