石墨烯能用在電解液（質(zhì)）嗎？

鋰電池電解液是電池中離子傳輸?shù)妮d體。一般由鋰鹽和有機(jī)溶劑組成。電解液在鋰電池正、負(fù)極之間起到傳導(dǎo)離子的作用，是鋰離子電池獲得高電壓、高比能等優(yōu)點(diǎn)的保證。電解液一般由高純度的有機(jī)溶劑、電解質(zhì)鋰鹽、必要的添加劑等原料，在一定條件下、按一定比例配制而成的。電解質(zhì)的選用對(duì)鋰離子電池的性能影響非常大，它必須是化學(xué)穩(wěn)定性能好，尤其是在較高的電位下和較高溫度環(huán)境中不易發(fā)生分解，具有較高的離子導(dǎo)電率（> 10e-3 s/cm），而且對(duì)陰陽(yáng)極材料必須是惰性的、不能侵腐它們。由于鋰離子電池充放電電位較高而且陽(yáng)極材料嵌有化學(xué)活性較大的鋰，所以電解質(zhì)必須采用有機(jī)化合物而不能含有水。但有機(jī)物離子導(dǎo)電率都不好，所以要在有機(jī)溶劑中加入可溶解的導(dǎo)電鹽以提高離子導(dǎo)電率。目前鋰離子電池主要是用液態(tài)電解質(zhì)，其溶劑為無(wú)水有機(jī)物如 EC （ethyl carbonate）、PC（propylene carbonate）、DMC（dimethyl carbonate）、EMC（Ethyl Methyl Carbonate）和采用混合溶劑，如EC+DMC 和PC+DMC 等。導(dǎo)電鹽有 LiClO4、LiPF6、LiBF6、LiAsF6 和 LiOSO2CF3 ，它們導(dǎo)電率大小依次為 LiAsF6 > LiPF6 > LiClO4 >LiBF6> LiOSO2CF3。LiClO4 因具有較高的氧化性容易出現(xiàn)爆炸等安全性問(wèn)題, 一般只局限于實(shí)驗(yàn)研究中；LiAsF6 離子導(dǎo)電率較高易純化且穩(wěn)定性較好，但含有有毒 As，使用受到限制；LiBF6 化學(xué)及熱穩(wěn)定性不好且導(dǎo)電率不高，LiOSO2CF3導(dǎo)電率差且對(duì)電極有腐蝕作用，較少使用；雖然 LiPF6 會(huì)發(fā)生分解反應(yīng)，但具有較高的離子導(dǎo)電率，因此目前鋰離子電池基本上是使用 LiPF6。目前商用鋰離子電池所用的電解液大部分采用 LiPF6 EC+DMC，它具有較高的離子導(dǎo)電率與較好的電化學(xué)穩(wěn)定性。 但隨著電池充放電次數(shù)的增加。由于電極材料氧化腐蝕會(huì)消耗掉一部分電解液，導(dǎo)致電解液缺乏，極片不能完全清潤(rùn)到電解液，從而電化學(xué)反應(yīng)的不完全，使得電池容量達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。

講完了電解液的基本原理后，我們進(jìn)一步談?wù)剝蓚€(gè)重要概念，SEI 膜及固態(tài)電解質(zhì)。在鋰離子嵌入石墨材料的過(guò)程中，電解質(zhì)會(huì)在石墨表面發(fā)生反應(yīng)形成一層固體電解質(zhì)界面（Solid Electrolyte Interface，SEI）。該界面為絕緣體，因而能夠有效避免電池的自放電。SEI 膜其成分主要是ROCO2Li（EC和PC環(huán)狀碳酸酯還原產(chǎn)物）、ROCO2Li 和 ROLi（DEC和DMC等鏈狀碳酸酯的還原產(chǎn)物）、Li2CO3（殘余水和ROCO2Li反應(yīng)產(chǎn)物），若用 LiPF6 時(shí)，殘余的HF會(huì)與 SEI 中 ROCO2Li，使 SEI 中主要是 LiF 和 ROLi。另一方面，SEI 是 Li+ 導(dǎo)體，脫嵌鋰時(shí)碳電極體積變化很小，但即使很小，其產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力也會(huì)使負(fù)極破裂，暴露出來(lái)新的碳表面再與溶劑反應(yīng)形成新的 SEI 膜，這樣就造成了鋰離子和電解液的損耗。同時(shí)，正極材料活性物質(zhì)膨脹超過(guò)一定程度也會(huì)形成無(wú)法修復(fù)的永久性結(jié)構(gòu)觸損耗，這樣正極和負(fù)極的不斷損耗造成了容量的不斷衰減；再者，增加的SEI膜會(huì)造成界面的電阻層架，使電化學(xué)反應(yīng)極化電位升高，造成電池性能衰減。

高溫下電解質(zhì)六氟磷酸鋰容易分解，并且容易和水反應(yīng)生成氫氟酸，而且溫度越高這些副反應(yīng)越多。產(chǎn)生的氫氟酸能在三個(gè)方面對(duì)電池造成破壞。

1，氫氟酸能夠破壞電極材料表面穩(wěn)定的SEI膜層。

2，這些酸類(lèi)物質(zhì)還能與碳酸類(lèi)電解質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)生氣體，造成安全隱患。

3，氫氟酸還能溶解正極材料中的過(guò)渡金屬元素，造成相變。

為此，華為李陽(yáng)興博士曾提出高溫鋰離子電池技術(shù)的要點(diǎn)包括以下四個(gè)方面：

1，通過(guò)引入最好的導(dǎo)熱材料石墨烯，能夠更好地分散熱量，防止熱量集中于一點(diǎn)。

2，利用石墨烯和碳納米管構(gòu)建三維的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，降低界面阻抗，從而降低高倍率充放電下熱量的產(chǎn)生。

3，通過(guò)引入特殊的添加劑去除殘留的水，防止因酸類(lèi)物質(zhì)帶來(lái)的副反應(yīng)，從而增加鋰鹽和有機(jī)電解質(zhì)的穩(wěn)定性。

4，通過(guò)特殊包覆來(lái)阻止過(guò)渡金屬元素的溶解，穩(wěn)定正極材料的層狀結(jié)構(gòu)，大單晶三元材料在高溫下的性能更好。

最后，來(lái)談?wù)劰虘B(tài)電解質(zhì)。現(xiàn)在的電解質(zhì)已經(jīng)從以前的液態(tài)電解發(fā)展到固態(tài)電解質(zhì)，以固態(tài)電解質(zhì)取代液態(tài)電解質(zhì)，其顯著特點(diǎn)就是提高了電池的安全性能，易于加工成膜，可做成全塑結(jié)構(gòu)，從而可制造超薄和各種形狀的電池；能夠很好地適應(yīng)電池沖放電過(guò)程中電極的體積變化，同時(shí)又有較好的化學(xué)和電化學(xué)穩(wěn)定性能。因此在新型高能鋰電池及電化學(xué)的應(yīng)用上顯示出很大的優(yōu)越性。與傳統(tǒng)的鋰離子電池相比，聚合物鋰電池塑性靈活、安全性好、循環(huán)壽命更長(zhǎng)、體積利用率比液體鋰離子電池高 10-20％，且易于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。提高全固態(tài)鋰離子電池的可靠性使其可以有大規(guī)模的實(shí)際應(yīng)用，然而對(duì)于無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)全固態(tài)鋰離子電池，關(guān)鍵的挑戰(zhàn)依然存在，比如電極的體積變化、界面電荷轉(zhuǎn)移電阻、靈活性和較差的循環(huán)穩(wěn)定性等問(wèn)題。我們選擇的聚合物固態(tài)電解質(zhì)可以克服了無(wú)機(jī)固體電解質(zhì)的這些局限性，也就是說(shuō)，它們有良好的靈活性并且能與電極緊密接觸，但是它們的電化學(xué)穩(wěn)定窗口小、離子電導(dǎo)率（室溫）差，也是目前阻礙全固態(tài)聚合物鋰離子電池發(fā)展的原因。

固體聚合物電解質(zhì)一般可分為干形固體聚合物電解質(zhì)（SPE）和凝膠聚合物電解質(zhì)（GPE），目前以聚氧乙烯（PEO）為代表的傳統(tǒng)全固態(tài)聚合物電解質(zhì)基體，室溫下的離子電導(dǎo)率通常低于10e-6 S/cm，電化學(xué)窗口窄難以滿足動(dòng)力電池能量密度進(jìn)一步的迫切需求。在 SPE 中離子傳導(dǎo)主要是發(fā)生在無(wú)定形區(qū)，借助聚合物鏈的移動(dòng)進(jìn)行傳遞遷移。PEO 容易結(jié)晶是由于其分子鏈的高規(guī)整性，而晶形化會(huì)降低離子導(dǎo)電率。利用接枝、嵌段、交聯(lián)、共聚等手段來(lái)破壞高聚物的結(jié)晶性能，可明顯地提高其離子導(dǎo)電率。此外加入無(wú)機(jī)復(fù)合鹽也能提高離子導(dǎo)電率。將固態(tài)電解質(zhì)引入鋰電池是為了突破目前有機(jī)電解液存在的種種限制，提高電池的能量密度、功率密度、工作溫度范圍和安全性。

然而，真正實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，仍需首先解決現(xiàn)有電解質(zhì)材料本身以及與電極界面存在的一些問(wèn)題。例如，提高能量密度需要使用低電位、大容量的負(fù)極材料，以及高電位、大容量的正極材料，這樣的情況下，存在高電壓的情況，聚合物電解質(zhì)有限的電化學(xué)窗口往往有難以直接應(yīng)用的問(wèn)題。電化學(xué)電位窗口是衡量一個(gè)電極材料的電催化能力的重要指標(biāo)，電化學(xué)窗口越大，特別是陽(yáng)極析氧過(guò)電位越高，對(duì)于在高電位下發(fā)生的氧化反應(yīng)和合成具有強(qiáng)氧化性的中間體更有利。石墨烯具有電化學(xué)窗口寬、電化學(xué)穩(wěn)定性好、電荷傳遞電阻小、電催化活性高和電子轉(zhuǎn)移速率快等電化學(xué)特性，我們除了想通過(guò)石墨烯提高固態(tài)電解質(zhì)的電化學(xué)窗口外，也想一并解決導(dǎo)電性差的制約，石墨烯負(fù)載 PEO 應(yīng)該是個(gè)不錯(cuò)的方向。