1 鋰離子電池發(fā)展現(xiàn)狀

相比于普通電池，鋰離子電池具有比能量高、自放電小、使用壽命長、高低溫適應性強和綠色環(huán)保等優(yōu)點，是現(xiàn)代高性能電池的優(yōu)先選擇，已成為便攜式電子產(chǎn)品和電動汽車的電源。新能源汽車（主要是電動汽車）市場持續(xù)快速擴張帶動鋰離子動力電池需求猛漲，截止到2017年8月31日我國新能源汽車累計產(chǎn)銷量超過100萬輛，年均增幅超過200%，僅2017年前10月新能源汽車累計銷量就高達49萬輛。

當前商業(yè)化的鋰離子電池材料體系主要是正極鈷酸鋰、磷酸鐵鋰和負極石墨。盡管石墨的儲鋰容量能達到372 (mA·h)/g，允許鋰離子自由的嵌入和脫嵌，形成相對穩(wěn)定的固體電解質(zhì)界面膜，取代了鋰金屬成為工業(yè)界標準負極材料，但其能量密度過低，成為限制其高端電池應用的瓶頸。目前鋰離子電池比能量已達140 (W·h)/kg，雖是鎳鎘電池的3倍，鎳氫電池的1.5倍，但仍不能完全滿足當前市場對于動力電池的性能需求。我國政府在“十三五”新能源汽車試點專項的共性關(guān)鍵技術(shù)類研究項目“高比能量鋰離子電池技術(shù)”中提出：到2020年，電池單體能量密度≥300（W· h）/kg，循環(huán)壽命≥ 1500 次，成本≤ 0.8 元/（W·h），安全性能達到國標要求。因此，在當前商業(yè)化應用鋰電池材料體系基礎(chǔ)上，如何開發(fā)出新型高性能復合電極材料是加快突破鋰離子電池發(fā)展瓶頸的關(guān)鍵，具有重要的科學意義和應用價值。

2 石墨烯的特點及其在鋰離子電池中應用潛力分析

石墨烯具有獨特的單層二維結(jié)構(gòu)，僅一個原子層厚，約0.34 nm，相當于頭發(fā)絲直徑的十五萬分之一，是目前已知的厚度最薄、強度最高、結(jié)構(gòu)最致密的納米材料，同時具備透光性好（透光率97.7%）、導熱系數(shù)高（5300 W/（m·K），金剛石的3倍）、電子遷移率高（1.5×104cm2/ Vs，商業(yè)硅片的10倍）、比表面積高（2630m2/g）、機械強度高 (1TPa)等性能，號稱“黑金”，是“新材料之王”，科學家甚至預言石墨烯將“徹底改變21世紀”。

在鋰電池領(lǐng)域中，石墨烯已顯示出顛覆性潛質(zhì)的特殊功能：一是石墨烯優(yōu)良的導電和導熱特性，使其具有良好的電子傳輸通道和循環(huán)穩(wěn)定性，實現(xiàn)電池安全、快速充放電，且能延長使用壽命；二是石墨烯片層間距大于結(jié)晶性良好的石墨，使鋰離子在石墨烯片層之間擴散通暢，利于鋰離子電池功率性能的提高；三是石墨烯是單層碳原子，上下表面均可存儲鋰離子，且由于制備過程中引入缺陷、邊緣懸掛鍵等，這些位置均可存儲鋰離子，提高存儲容量，所以理論上其容量可能是石墨烯的兩倍，高達744 (mA·h)/g。石墨烯在鋰離子電池領(lǐng)域應用將使性能發(fā)生質(zhì)的飛躍。

3 石墨烯在鋰離子電池中的應用情況

3.1科技強國大力支持石墨烯的發(fā)展

2013年歐盟委員會選定石墨烯項目為“未來新興技術(shù)旗艦項目”；2014年，英國在曼徹斯特大學投資6000萬英鎊，加速石墨烯產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化、市場化；同年，美國共投入2800萬美元，支持石墨烯及其相關(guān)二維材料基礎(chǔ)研究；日本以綠色低碳為著眼目標，大力支持石墨烯批量制備技術(shù)研發(fā)；2012～2018年韓國向石墨烯投入2.52億美元，用于技術(shù)開發(fā)和商業(yè)化應用研究；2015年底中國工信部等三部委聯(lián)合出臺《關(guān)于加快石墨烯產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的若干意見》，將石墨烯納入“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃重點發(fā)展對象，據(jù)報道，我國相關(guān)企業(yè)已發(fā)展了“液相低聚物法合成單原子層石墨烯”、“多相量子自耦反應技術(shù)”等的石墨烯產(chǎn)業(yè)化技術(shù)，實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。

3.2 石墨烯在鋰離子電池中應用的最新進展

2016年12月，華為發(fā)布5 min即可充滿3000 mA·h電池48%電量的快充技術(shù)成果，該電池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，電池上限使用溫度提高10 ℃，壽命是普通鋰離子電池2倍。2017年8月Fisker發(fā)布首款搭載石墨烯電池技術(shù)的電動超跑，石墨烯技術(shù)能延長續(xù)航里程、電池壽命，同時加快充電時間，新車最大速度為259 km/h，續(xù)航里程達644 km（特斯拉續(xù)航里程不到500km）。2017年11月，三星宣布開發(fā)出石墨烯電池技術(shù)，電池容量比目前市面上的電池高出45%，充電速度提升到現(xiàn)有標準的5倍，12 min即可充滿，相關(guān)成果已發(fā)表于《自然通訊》雜志上，并在韓國和美國申請了專利。根據(jù)調(diào)研分析，當前石墨烯產(chǎn)業(yè)化應用的電池產(chǎn)品有石墨烯復合磷酸鐵鋰正極材料和石墨烯包覆石墨負極材料。

4 石墨烯在鋰離子電池中的大規(guī)模應用難點與爭議

4.1 高質(zhì)量、低成本石墨烯的制備是制約石墨烯應用的難點

現(xiàn)有石墨烯的有效產(chǎn)業(yè)化制備工藝——氧化還原法，雖可大規(guī)模制備，但制得的石墨烯具有缺陷且在其基面上引入了官能團，使性能大幅下降，且層數(shù)越少，規(guī)模化生產(chǎn)越難，成本越高。制備出結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、形貌可控的高質(zhì)量石墨烯，并且降低石墨烯宏量制備的成本是制約石墨烯應用的難點。

4.2 對石墨烯在鋰離子電池中大規(guī)模應用的爭議

石墨烯作為一種有望替代、彌補或顛覆傳統(tǒng)材料的先進材料，產(chǎn)業(yè)界仍存在不同的聲音，主要集中在三個方面：一是在電化學原理上，石墨烯沒有充分顯露顛覆性的潛質(zhì)；二是在鋰離子電池中，石墨烯最快應用在鋰離子電池的負極與導電劑材料，控制其成本問題和工藝兼容性，仍是當前亟待解決的關(guān)鍵產(chǎn)業(yè)問題；三是目前石墨烯應用比較成熟的領(lǐng)域多集中在中低端添加石墨烯類的產(chǎn)品，真正能夠顯示石墨烯特殊性能的高端應用尚在實驗室中，短期內(nèi)批量生產(chǎn)和商用還有些困難。