淺（qiǎn）析（xī）石墨烯基鋰離子電池（chí）結構和（hé）產業化

淺析石墨烯基鋰離子電池結構和產業化（huà）

目前市麵上（shàng）宣稱（chēng）的“石墨烯電池”是一個不準確（què）的概念，準確的講基本上都是在（zài）材料（liào）中加入一點石墨烯，以提高鋰電池的部分性能，可以稱為石（shí）墨烯基鋰離子（zǐ）電池。


石墨（mò）烯的性能（néng）優異毋庸置疑，但是它是否就一定適合用於鋰離子電（diàn）池呢？目前市麵上宣稱（chēng）的“石（shí）墨烯電（diàn）池”是一個（gè）不準確的概念，準確的（de）講基本上都是在材料（liào）中加入一點石墨烯，以（yǐ）提高鋰電池的部分性能，可以稱為石墨烯基鋰離子電（diàn）池。不排除實驗室內有石墨（mò）烯作為負極材料製作鋰電池或（huò）超級電容器（qì），但是要求比（bǐ）較（jiào）高。綜上，石墨烯可以作為鋰電池的調味品，但是作為（wéi）主材（cái）就不太合適了（le）。

1.石墨烯的結構和性（xìng）質
物理結構：石墨烯，是由碳原子組成（chéng）的單原子層平麵薄膜，厚（hòu）度僅為0.34納米，單層厚度相當於頭發（fā）絲直徑的十五萬分之一。是目前世界上已知的最輕薄（báo）、最堅硬的納米材料，透光性好，能折疊。因為隻有一層原子，電子的運動被限（xiàn）製在一（yī）個（gè）平麵上，石墨（mò）烯也有著全新的電學屬性。石墨烯比表麵（miàn）積約為2630m2/g，熱導（dǎo）率為5000W/m;k。

電學（xué）特性：石（shí）墨烯具有獨特的載流子特性和無質量的狄拉克費米子屬性。其電子遷移率可達（dá）到2×105cm2/Vt;s，約為矽中電子遷移率的140倍，砷化镓的20倍（bèi），溫度（dù）穩定性高，電導率可達108Ω/m，麵電（diàn）阻約為31Ω/sq（310Ω/m2），比銅或（huò）銀（yín）更低（dī），是室溫（wēn）下導電（diàn）最好的材料。

另外，石墨烯中電子載體和空（kōng）穴載流（liú）子的半（bàn）整數量子霍爾效應可（kě）以通過電場作用改變化學勢而（ér）被觀察到，而Novoselov等在（zài）室溫條件下就觀察到了石墨烯的這種量子霍爾效（xiào）應。

2.石墨烯（xī）在鋰電池中的角色
正是由於石（shí）墨烯有以上的納米（mǐ）尺寸（cùn）效應、具有（yǒu）極大（dà）的比表麵（miàn）積、良（liáng）好（hǎo）的導電性以及優秀的（de）機械性（xìng）能等特（tè）性（xìng），石（shí）墨烯被世界各地（dì）科學（xué）家廣泛研究，並製造出了（le）“石墨烯鋰電池”這樣的概念，石墨烯是以什麽角色參與到（dào）鋰電池中的呢？

1)負極材料
石墨烯由於其獨特的二維結構、優異的（de）電子傳輸能力以及超大的比表麵積等優勢極有潛力替代（dài）石墨成為新一代鋰離子電池負極材料。石墨烯的儲鋰機製與其他（tā）碳材料相似，充電時（shí）鋰離子從正極脫出經過電解質嵌入碳材料層間形成（chéng）形成Li2C6，放電時鋰離子脫出返回正極。由於石墨烯的特殊二維（wéi）結構，當（dāng）其片層間距（jù）大（dà）於0.7nm時，石墨烯的兩麵都可以存儲鋰離子，同時由於石墨烯有褶皺存在（zài）也可（kě）以進行存鋰，所以理論上其容量可能是石墨的兩倍，高於744mAh/g。

另（lìng）外，石墨烯多為微納米尺寸（cùn），遠小於體相石墨，使得Li離子的擴散路徑變短，石（shí）墨烯的層間距（jù）通常也遠遠大（dà）於石墨，也為（wéi）鋰離子的傳輸提（tí）供了更多的通道。因此較之（zhī）石墨，以石（shí）墨（mò）烯為（wéi）負極更有利於提（tí）高電（diàn）池性能。從石墨烯電池的概念提出以來，很多學術研究成（chéng）果表明石墨烯鋰電池可逆（nì）容量可達500mAh/g以上，以及具有出色的倍率性能。實驗（yàn）室條件（jiàn）下製備（bèi）的鋰電負極多采用CVD法、水（shuǐ）合肼還原、真（zhēn）空抽濾和冷凍幹燥法等（děng）等製備石墨烯，或（huò）為片狀或為空心球（qiú）狀，各不（bú）相同。

2)石墨烯作為（wéi）導電劑
導電劑的首（shǒu）要作用是提高（gāo）電子電導率，由於電解液是離子導電的，而電子是無法傳導的，故導電劑是促進電子快速（sù）穿（chuān）過活物質到（dào）達集流體。另外（wài），導電劑也可（kě）以提高極片（piàn）加工性，促進電解液對（duì）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（yǒu）SP、乙炔黑等，傳統炭（tàn）黑為球（qiú）狀，將其與活物質混合（hé）時更易相互混（hún）合均勻，但是其接觸形式為點點接觸，限製了導電作用的發揮，增加（jiā）了導（dǎo）電（diàn）劑添加量。而是石墨烯是片狀結構，與活性物質的接觸為點-麵接觸，可以最大化（huà）的發揮導電劑等作用，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（dàn）是石（shí）墨（mò）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（tóng）時，其片狀結構不利於鋰離子的擴散，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（de）倍率性能，但是事實是石墨（mò）烯的單片層結果阻礙了鋰離子的擴散，尤其是在（zài）大倍率充放（fàng）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（tiáo）件下，用石墨烯（xī）部分替代導（dǎo）電炭（tàn）黑能夠一定程度上降低導電劑用（yòng）量，提高電池能量密度，過猶不及（jí）。

3.石墨烯鋰電池產業化進程？
實驗室（shì）和研發條件下製備（bèi）的石墨烯負（fù）極材料（liào）和石墨烯導電劑（jì）的成功例子為工業生產中石墨烯鋰（lǐ）離子電池的產品化（huà）提供了雄（xióng）厚的科研（yán）基礎，那麽現實（shí）中的石墨烯鋰電池（chí）是什（shí）麽情況呢？

第一款產品是東（dōng）旭光電於2016年推出的產品“烯王”。2016年7月8日，東（dōng）旭光（guāng）電在釣魚台舉（jǔ）辦了石（shí）墨烯基鋰離子電池產（chǎn）品發（fā）布會，推（tuī）出了世界首款石墨烯基鋰離子電池產品——“烯（xī）王”。

第二款產品是2016年12月華為推出的（de）業界首（shǒu）個（gè）高溫長壽命石墨烯助力的鋰電（diàn）池。石（shí）墨烯助力的（de）高溫（wēn）鋰（lǐ）離（lí）子電池技術突破主要來自三個方麵：在電解液（yè）中加入特殊添加（jiā）劑，除去痕量水，避免電解液的高溫分解；電池正極選用改（gǎi）性的大單晶三元材料（liào），提高材料的熱穩定性；同時，采用新型材料石墨烯，可實（shí）現（xiàn）鋰離子電池與環境（jìng）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（diàn）池”，事（shì）實是（shì）石墨烯用在了隔膜上……

當然，市麵上不（bú）斷的有各種石墨烯鋰電池專利被爆出來（lái），但是也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（yè）對石（shí）墨烯基鋰離子電池（chí）進（jìn）行量產（chǎn）。

4.總結一下
石墨烯的性能優異毋（wú）庸置疑，但是它是否就一定適合用於鋰（lǐ）離子（zǐ）電池呢？以小編淺見，石（shí）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劑成本比普（pǔ）通的炭黑高多了，鋰電池的成本是關鍵的控製因素，不降低原材料（liào）的成本，即使石墨烯電學性能再好，一（yī）噸幾十萬的成本消耗（hào）電池廠家也用不（bú）起（qǐ）。

2.工藝問題
石墨烯的片狀結構帶（dài）來的工藝問（wèn）題主要是電極（jí）漿料的製備。電極漿料要求具（jù）有很好的流動性、分散（sàn）性和合（hé）適的粘度。片狀石墨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（liào）無法添加分散劑來助分散。石墨烯的表（biǎo）麵積（jī）很大，對於漿（jiāng）料的沉降穩定性有很（hěn）大的影響，且無法保證各批次一致性（xìng），影響電池性能。

3.其它因素
石墨烯的片狀結構抑製鋰離子的擴散，容易造成電池極化嚴重（chóng），造成電池容量降低。石墨烯表麵豐富的官能團就是（shì）石墨（mò）烯表麵的小（xiǎo）傷口，添加過多不僅會降低電池能量密度，而且會增（zēng）加（jiā）電解液吸液量，另（lìng）外一方麵還會增加與電解液的副反（fǎn）應而影響循環性，甚至有可能帶來（lái）安全性問題。

目前市（shì）麵上（shàng）宣稱的“石墨烯（xī）電池”是（shì）一個不準確（què）的概（gài）念，準確的講基（jī）本上都是在材料中（zhōng）加入一點（diǎn）石墨烯，以提高鋰電池的部分性能，可以叫為石墨烯基鋰離子（zǐ）電池。不排除實驗室內有石墨烯作為負極材（cái）料製作鋰電池或超級電容器，但是要求比較高。綜上，石墨烯可以作為鋰電池的調味品，但是作為主材就不太合適了。

本文出自東莞市捷誠（chéng）石墨製品有（yǒu）限公司官網：http://www.hryok.com 權威發布，    東莞市捷（jié）誠石墨製品有限公司是一家集銷售、應（yīng）用開發，產品加工的石墨專業廠家，專門為模具行業、機械行業、真空熱（rè）處理爐、電子（zǐ）半導體及太陽能光伏產（chǎn）業等提供石墨材（cái）料、石墨電極和相關的石墨製品，歡迎致電13549365158更多（duō）關於石墨（mò）製品方麵信息，可回本網站產品頁麵詳細了解點擊：石墨（mò）製品  石墨模具  石墨坩堝 石墨轉子 石墨軸承 石墨板 石墨棒 石墨匣體 石墨熱場 真空爐石墨製品 電子石墨模具