既然石墨烯這麽厲害，未來（lái）到底怎麽進化？

既然石墨烯這麽厲害，未來到底怎麽進化？

石墨烯的性能優異毋庸置疑（yí），但是它是否就一定適（shì）合用於鋰離子電池呢？目前（qián）市麵（miàn）上宣稱的“石墨烯電池”是（shì）一個（gè）不準（zhǔn）確的概念，準確的（de）講基本上都是在材料中加入一點石墨烯，以提高鋰電池的部分性能（néng），可以稱為（wéi）石墨烯基鋰離子電池。不排除實驗（yàn）室內有石墨烯作為負極（jí）材料製作鋰電池或超級電容器，但（dàn）是要求比較高。綜上，石墨烯可以作（zuò）為鋰電（diàn）池的調味品，但是作為主材就不太合適（shì）了。



石（shí）墨烯的結構和性（xìng）質

物理結構：石墨烯，是由碳原子組成的單原子層平麵薄膜，厚度僅為0.34納米，單層厚度相當於頭發絲直徑的十五（wǔ）萬分之一。是目前世界上已知的最輕薄、最堅硬（yìng）的納米材料，透（tòu）光性好，能折疊。因為隻有（yǒu）一層原子，電子的運動被限製在一個平麵上，石墨烯也（yě）有著全新的電學屬（shǔ）性。石墨烯比（bǐ）表麵積約為2630m2/g，熱導率為5000W/m·k。



電學特性：石墨烯具有獨特的（de）載流子特性和（hé）無質量的狄拉克（kè）費米子（zǐ）屬性（xìng）。其電子遷移率可達（dá）到2×105cm2/V·s，約（yuē）為（wéi）矽中電子遷移率的140倍，砷化镓的20倍，溫度穩（wěn）定性高，電導率可達108Ω/ m，麵電阻約（yuē）為31Ω/sq（310Ω/m2），比銅或銀（yín）更低，是室溫下導電最好的（de）材料。



另外，石墨烯中電子載（zǎi）體和（hé）空穴載流子的半整（zhěng）數量子霍爾效應可以通過電（diàn）場（chǎng）作用改（gǎi）變化學勢而被（bèi）觀察到，而Novoselov等在室溫條件下就觀察到了（le）石墨（mò）烯的這（zhè）種量（liàng）子霍爾效應。



石墨（mò）烯（xī）在鋰電（diàn）池中的（de）角色

正是由於石（shí）墨烯有以上的納米尺寸（cùn）效應、具有極大的比表麵積（jī）、良好的（de）導電性（xìng）以及優秀的機械性能等特性，石墨烯被世界各地科學家廣泛研究，並製造出（chū）了“石墨烯鋰電池”這樣的概念，石墨烯是以什麽角色參與到鋰電池中的（de）呢？



1. 負極材料

石墨烯由於其（qí）獨特的二維結構（gòu）、優異的電子傳輸（shū）能力以及超大的比表麵積等優（yōu）勢極有潛力替代（dài）石墨成（chéng）為新一代鋰離子（zǐ）電池負極材料。石墨烯的儲鋰機製與其他碳材料相似，充電時鋰離子從正極脫出經過電解質嵌入碳材料層（céng）間形成形成Li2C6，放電時（shí）鋰離（lí）子脫出返回正極。由於石墨烯的特殊二維（wéi）結構，當其片層間距大於0.7nm時，石墨烯的兩麵都可以存（cún）儲鋰離子，同時由於石墨烯（xī）有褶皺（zhòu）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（gāo）於744mAh/g。



另（lìng）外，石墨烯多為微納米尺寸，遠（yuǎn）小於（yú）體相石墨，使得 Li離子的（de）擴散路徑（jìng）變短，石墨烯的層間距通常也遠遠大於石墨，也為鋰離子（zǐ）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於提高電池性能。從石墨烯電池的概念（niàn）提出以來，很多學術研究成果表明石（shí）墨烯鋰電池可逆容量（liàng）可達500mAh/g以上（shàng），以及具有出色的倍率性能。實驗室條件下製（zhì）備的鋰電負極多采用CVD法、水合肼還原、真空（kōng）抽濾和冷凍（dòng）幹燥法等等製備石（shí）墨烯，或為片狀或為空心球狀，各不相（xiàng）同。



2.石墨烯（xī）作為（wéi）導電（diàn）劑

導電劑的首（shǒu）要作用是提高（gāo）電子（zǐ）電導率，由於電解液是離子導電的，而電子是無法傳導的，故導（dǎo）電劑是（shì）促進電子快（kuài）速穿過活物質到達（dá）集（jí）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（de）浸潤，降低電阻率（lǜ），從而提高鋰（lǐ）電池的使用壽命。



目前常用（yòng）的導電（diàn）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，限製了導電作用的（de）發（fā）揮，增加了導電劑添加量（liàng）。而是石墨烯是片（piàn）狀結構，與活性物質的接觸為點（diǎn）-麵接觸，可以最大化的發揮導電劑等作用，減少導電劑的（de）用量，從而可以多（duō）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（piàn）狀的石墨烯在溶劑中更（gèng）難分散，更易團聚在一起，反倒需（xū）要增加（jiā）石墨烯的用量。同時，其片狀結構不利於鋰離子的擴散，造（zào）成電芯內阻增大，電（diàn）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（shì）實是石墨烯（xī）的單片層結果阻礙（ài）了鋰（lǐ）離子的（de）擴（kuò）散，尤其是在大倍率充放電（diàn）時電池內部（bù）極化加重，電池（chí）放電容量降低。相關研究表明，在低倍率放電條件下，用石（shí）墨烯部分（fèn）替代導電炭黑（hēi）能夠一定程度上降低導電劑用（yòng）量，提高電池能量密度（dù），過猶（yóu）不及。

石墨烯鋰電池產業化進程（chéng）？

實（shí）驗室和（hé）研發條件下製備的石墨（mò）烯負（fù）極材料（liào）和石墨烯導電（diàn）劑的（de）成功例子為工（gōng）業生產中石墨烯鋰離子電池（chí）的產品化提供了（le）雄厚（hòu）的科研基礎，那麽現實中（zhōng）的石墨烯鋰電池是什麽情況呢？



第一款產品是東旭光電於2016年推出的產品（pǐn）“烯王”。2016年7月（yuè）8日，東旭光電在釣魚台舉（jǔ）辦了石墨烯基鋰離子電池產品發布會，推出（chū）了世界首（shǒu）款石墨烯基鋰離子電池產品——“烯（xī）王”。



第二款（kuǎn）產品是2016年12月（yuè）華為推出的（de）業界首個高溫長壽命石墨烯助力的鋰電池。石（shí）墨烯助力的高溫鋰離子電池技術突破主要來自三（sān）個方麵：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（diàn）池正（zhèng）極選用改（gǎi）性的大單晶三元材料，提高材（cái）料的熱穩定性；同時，采用（yòng）新型材料石墨（mò）烯（xī），可（kě）實現鋰離子電池與環境（jìng）間的高效散（sàn）熱。



第三（sān）款產品是（shì）傳媒所說的（de）東旭光電和貝斯特做的“國產石墨烯電池”，事實是石墨烯用（yòng）在了隔膜上……



當然，市麵（miàn）上不斷的有各種石墨烯鋰電池專利被爆出來，但是也（yě）僅僅停留在專利階段。包括三星、鬆下、LG等等都有石墨烯的相關專利申請。目前市麵上還沒有企業對石墨烯基鋰離子電池進行量產。



總結一下（xià）

石墨烯的性能優異毋庸置疑（yí），但是它是否就一定（dìng）適合用於鋰離子電池呢？以小（xiǎo）編淺見，石墨烯並不適合用於鋰離子電池，考慮如下：



1.成本問題

使用石墨烯作為導電（diàn）劑成本比普通的炭黑高多（duō）了，鋰電池的成本（běn）是關鍵的控製因素，不降低原材料的成本，即使石墨烯電學性能再好，一噸幾十萬（wàn）的成本消耗電池廠家也用（yòng）不起。



2.工藝問題

石墨烯的片狀結構（gòu）帶來的工藝問題主要是電極漿料的製備（bèi）。電極（jí）漿料要求具有很好的（de）流動性、分（fèn）散性和合適的粘度。片（piàn）狀石墨（mò）烯在電極漿料中的分散是個很棘手的問題，尤其是電極漿料無法添加分散劑來助（zhù）分散。石墨（mò）烯的表麵積很（hěn）大，對於漿料的沉降穩定性有很（hěn）大的影響，且無法保證各批次一（yī）致性，影（yǐng）響電池性能。



3.其它因素

石墨烯（xī）的片狀結構抑製鋰離子的擴（kuò）散，容（róng）易造成電池極化嚴重，造成電池（chí）容量降低。石墨烯表（biǎo）麵豐富的官能（néng）團就是石墨烯表麵的小傷口，添加過多不僅會降低電池能量密（mì）度（dù），而且會增加電解液吸液量，另外一方麵還會增加與電解（jiě）液的副反應而影響循環性（xìng），甚至有可能帶（dài）來安全性問題。



目前市麵上宣稱的（de）“石墨烯電池”是一個不準確的概念（niàn），準確的講基本上都是在材料中加入一點石墨烯，以提高鋰電池（chí）的部分性能，可以叫為石墨烯（xī）基鋰離子電池（chí）。不排除實驗室內有石墨烯作（zuò）為負極材料製作鋰電池或超級電容器，但是要求比較高。綜上，石墨烯可以（yǐ）作為鋰電池的調味品，但是作為主材就（jiù）不太合適了。

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