正極材料應該具有以下幾個特點：

 

1、放電反應時應具有比較大的負的吉布斯自由能（高放電電壓）。

 

2、主體結(jié)構(gòu)應具有較低的分子量和能夠嵌入大量鋰的能力（高能量容量）。

 

3、主體結(jié)構(gòu)應有較高的化學擴散系數(shù)（高倍率性能）。

 

4、在嵌入和脫嵌時材料的結(jié)構(gòu)應該盡可能的不發(fā)生變化（長循環(huán)壽命）。

 

5、材料應該是化學性能穩(wěn)定的，無毒并且成本較低的。（低成本）

 

6、材料在工藝處理時容易。（加工容易）

 

利用功能涂層對電池導電基材進行表面處理是項習知技術，覆碳鋁箔/銅箔就是將分散好的納米導電石墨和碳包覆粒，均勻、細膩地涂覆在鋁箔/銅箔上，通常正極基材是鋁箔，負極基材是銅箔。以聚合物鋰電池為例，正極涂層是鈷酸鋰（或其他正極材料）＋ PVDF + 導電劑；負極涂層是石墨（或其它負極材料）＋ SBR + 導電劑。在電池充放電的過程中，正極材料不但要作為鋰源，提供在電池內(nèi)部正負兩極嵌鋰材料間往復嵌脫所需要的鋰，還要負擔電池負極材料表面形成固液界面膜（SEI膜）所消耗的鋰。因此，理想的正極材料需具備以下特點：電位高、比容量高、密度大（包含壓實密度和振實密度）、安全性好、倍率性能佳和長壽命等。能滿足以上要求的材料根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點主要分為三種，即層狀結(jié)構(gòu)材料LiMO2（M=Co、Ni、Mn）；具有尖晶石結(jié)構(gòu)的錳酸鋰材料（LiMn2O4）；具有橄欖石結(jié)構(gòu)的LiMPO4（M=Fe、Mn、Co、Ni）。近年來，三元及鋰硫材料也受到了越來越多的關注。

 

正極材料不僅作為電極材料參與電化學反應，更是鋰離子的來源，會影響鋰離子的遷移速率和電子遷移速率，從而影響鋰離子電池的低溫速率。傳統(tǒng)的正極材料都是高價態(tài)金屬氧化物，燒的時候都是氧化氣氛，碳摻進去一熱處理，要么就燒完了，要么金屬沒氧化到高價，就會出現(xiàn)與Li的混排，進而影響性能。通過石墨烯包覆磷酸鐵鋰作為正極材料也有很多人在嘗試，通常抱怨有二點，一是石墨烯還是碳，石墨烯儲鋰電位太低，它的儲鋰平臺在零點幾伏，在正極材料中一般電極電位都在 3.4V 以上，這時石墨烯沒有儲鋰性能，石墨烯只能起到導電作用。另外，因為采用石墨烯包覆正極材料，一般來說工藝不成熟導致性能都不會太好，所以很多人就認為石墨烯不適合用在正極上。但實際上，李喜飛教授在五氧化二釩的表面均勻地包覆一層石墨烯，就可以很好地提高比容量和循環(huán)性能。為什么石墨烯能給我們帶來很好的循環(huán)性能，這里面很大的一點就是 Rct（電荷轉(zhuǎn)移電阻）大大地降低了。在這個基礎之上，他也更換了二氧化釩體系，也得到了類似的結(jié)果。后來對這個方法進行了很大的擴展，比如說把這個方法擴展在二氧化錫的表面等，得出結(jié)論是：石墨烯可以通過適當工藝很均勻地把這些材料（不管是管或球狀，還是立體，都能很均勻包裹?。?，且石墨烯的含量基本是在 1%-2%。這是因為石墨烯強的導電性，減少了電極活性材料與電解質(zhì)之間的界面電阻，有利于 Li + 傳導；同時，石墨烯片層包覆在電極材料表面，抑制了金屬氧化物的溶解和相轉(zhuǎn)變，保持了充放電過程中電極材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

 

尖晶石型的 LiMn2O4 以及橄欖石型的 LiFePO4 是目前實際應用較為廣泛的鋰電池正極材料。但這類材料的電子傳導性差、Li+ 遷移過慢、大倍率充放電下電極與電解液間的電阻率大。一些研究中，引入石墨烯材料為解決這些問題帶來了可行的途徑。使用石墨烯改性的 LiFePO4和 LiMn2O4，電子的傳導率和倍率性能有了明顯提升。主要原因是石墨烯材料的使用大大縮短了鋰離子在正極材料中的擴散路徑，同時復合材料內(nèi)部的高空隙率也為鋰離子提供了大量的可嵌入空間，儲鋰容量和能量密度得到提升。例如，碳包覆 LiFePO4/石墨烯納米晶片在 17 mA/g 的電流密度下充放電循環(huán) 100 次后，可逆儲鋰容量為 158 mAh/g，庫倫效率高于 97%。在 60C 下充放電后的可逆容量為 83mAh/g，該材料的倍率性能很優(yōu)異。

 

結(jié)論：

 

以石墨烯負載正極高價態(tài)金屬氧化物之技術來提高比容量和循環(huán)性能。對于鋰電的負極材料而言，過渡金屬氧化物或具有前景的Si基材料進行石墨烯摻雜后在比容量、電壓特性、內(nèi)阻、充放電性能、循環(huán)性能、倍率性能等電化學性能方面已經(jīng)表現(xiàn)出了優(yōu)異的特性。石墨烯基中雜原子摻雜引入了更多的面缺陷，提高石墨烯材料的電導率，使復合材料擁有更優(yōu)良的性能。鋰電正極材料類似，引入石墨烯材料到鋰離子電池正極材料系統(tǒng)可以提高正極材料的電導率，保護正極材料避免粉化、崩塌，抑制正極材料的溶解。

 

石墨烯能用在導電劑嗎？

 

導電劑可以改善活性材料間的接觸電阻，并且能加速電子的移動速率，同時也能有效提高鋰離子在電極材料中的遷移速率，使電極各個部位的導電性趨于一致，使電池的性能得到更好地發(fā)揮。石墨烯目前用作導電劑添加到磷酸鐵鋰正極中，主要是改善倍率和低溫性能；也有添加到磷酸錳鋰和磷酸釩鋰提高循環(huán)性能的研究。通過添加導電劑實現(xiàn)快充是解決「里程焦慮」問題的首要方案。當前電動車使用體驗不如預期，最大的阻礙就在于里程焦慮問題，解決方案有兩個：

 

Ø 增加電池組容量，提高單次充電續(xù)航里程，包括增加電池單體的數(shù)量或是提升單體的能量密度；

 

Ø 使用導電劑提升電極導電性及電化學反應速度，從而提升單位時間內(nèi)鋰離子脫嵌及嵌入的量，實現(xiàn)快速充電。

 

電池組容量同動力電池成本成線性關系，對整車經(jīng)濟性影響較大，通過此路徑短期提升空間有限，目前情況以通過添加導電劑提升充電速度為首選。

 

 

 

現(xiàn)在鋰電常用的導電劑有導電炭黑、乙炔黑、科琴黑、Super P 等，現(xiàn)在也有電池廠家在動力電池上開始使用碳纖維（VGCF）和碳納米管（CNT）作為導電劑。石墨烯用作導電劑的原理是其二維高比表面積的特殊結(jié)構(gòu)所帶來的優(yōu)異的電子傳輸能力。從目前積累的測試數(shù)據(jù)來看，VGCF、CNT 以及石墨烯在倍率性能方面都比 Super P 都有一定提高，但這三者之間在電化學性能提升程度上的差異很小，石墨烯并未顯示出明顯的優(yōu)勢。另外，石墨烯的比表面積比CNT更大，添加在負極只能形成更多的SEI而消耗鋰離子，所以 CNT 和石墨烯一般只能添加在正極用來改善倍率和低溫性能。但是，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(huán)性，甚至有可能帶來安全性問題。而在分散性和加工性方面，VGCF比CNT和石墨烯更容易操作，這正是為什么昭和電工的 VGCF 正逐漸打入動力電池市場的主要原因?？梢娛┰谟米鲗щ娞砑觿┓矫?，目前跟 CNT 和 VGCF 在性價比方面的確并沒有優(yōu)勢可言。

 

 

 

這多半是你還停留在石墨烯很貴這個根深蒂固的觀念上來看問題。但事實上，比亞迪與國軒高科都已經(jīng)在使用石墨烯導電劑了。作為導電劑的效果與其加入量密切相關，在加入量較小的情況下, 石墨烯由于能夠更好地形成導電網(wǎng)絡, 效果遠好于導電炭黑。但是片層較厚的石墨烯會阻礙鋰離子的擴散而降低極片的離子電導率（一般認為 6-9 層最為適宜）。

 

 

 

通過氧化還原法或生物質(zhì)催化法制備的石墨烯含有大量官能團（羧基、羥基、環(huán)氧等表面官能團）, 作為導電劑導電性下降很多數(shù)量級，不推薦用作導電劑。另外一個大問題是分散。考慮到以上兩種導電劑的分散性的問題，目前市場化應用的碳納米管和石墨烯都是以預分散導電漿料的方式提供的。以石墨烯與碳納米管做性能對比發(fā)現(xiàn)：

 

Ø 石墨烯電極擁有更小的極片電阻；

 

Ø 石墨烯電極可以做到更大的壓實密度。

 

天津大學楊全紅在 2012 年發(fā)表于 Nano Energy 的文章上，研究了石墨烯用作鋰離子電池導電劑的優(yōu)缺點。在楊老師的研究中，采用了商用 10Ah 的 “LiFePO4/石墨”方形鋰離子電池。研究顯示，以少量（1%）的石墨烯取代鋰離子電池內(nèi)的傳統(tǒng)導電劑，不但可以提升化性物質(zhì)的比例，還能顯著的降低鋰離子電池的阻抗，但是由于石墨烯的片狀結(jié)構(gòu)，會對 Li+ 快速擴散形成很大的阻礙。因此在大電流充放電（>3C）時，會使鋰離子電池產(chǎn)生很大的極化，影響鋰離子電池的放電容量。這一研究顯示，石墨烯作為導電劑適合應用在一些對鋰離子電池充放電倍率要求不高的場合，石墨烯的添加可以顯著的提升活性物質(zhì)的占比，降低電極阻抗，提升鋰離子電池的能量密度，但是某些石墨烯并不適合應用在功率型電池（充放電倍率>3C）上作為導電劑。實驗中楊全紅的團隊制作了兩種電池，一種是普通的對照組電池，使用了 7% 的炭黑和 3% 的導電石墨，實驗組則使用 1% 的石墨烯和 1% 炭黑作為導電劑。試驗結(jié)果顯示，在相同的涂布量的前提下，使用石墨烯的實驗組電池容量（0.5C充放電）要明顯高于對照組電池，并且兩者的循環(huán)性能接近，表明石墨烯能夠搭建起更為高效的導電網(wǎng)絡，從而減少導電劑的用量，提高鋰離子電池的容量（10%），降低電池的極化，提升電池的能量密度。在隨后的倍率實驗中發(fā)現(xiàn)，在 0.5C、1C 和 2C 的充放電倍率下，實驗組的石墨烯導電劑電池相比于對照組電池都表出了更高的容量和更小的極化，但是當充放電倍率提高到 3C 時，實驗組電池容量迅速下降到 4Ah 以下，而對照組電池的容量仍然保持在 9Ah 左右，繼續(xù)將放電倍率提高到 4C，實驗組石墨烯導電劑電池由于極化太大，已經(jīng)無法放電，而對照組電池則相對穩(wěn)定。