石墨烯在鋰電池中扮演什么角色？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-05-07 17:37
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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(yōu)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(yōu)異的電子傳輸能力以及超大的比表面積等優(yōu)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(tǒng)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(fā)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(fā)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(yè)化進程？
實驗室和研發(fā)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(yè)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(xiàn)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(fā)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(yè)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(wěn)定性；同時，采用新型材料石墨烯，可實現(xiàn)鋰離子電池與環(huán)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(yè)對石墨烯基鋰離子電池進行量產。
