【干貨】石墨烯在鋰電池中擔(dān)任什么角色？

石墨烯的性能優(yōu)異毋庸置疑，但是它是否就一定適合用于鋰離子電池呢？目前市面上宣稱的“石墨烯電池”是一個(gè)不準(zhǔn)確的概念，準(zhǔn)確的講基本上都是在材料中加入一點(diǎn)石墨烯，以提高鋰電池的部分性能，可以稱為石墨烯基鋰離子電池。不排除實(shí)驗(yàn)室內(nèi)有石墨烯作為負(fù)極材料制作鋰電池或超級(jí)電容器，但是要求比較高。綜上，石墨烯可以作為鋰電池的調(diào)味品，但是作為主材就不太合適了。

1.石墨烯的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)

物理結(jié)構(gòu)石墨烯，是由碳原子組成的單原子層平面薄膜，厚度僅為0.34納米，單層厚度相當(dāng)于頭發(fā)絲直徑的十五萬分之一。是目前世界上已知的最輕薄、最堅(jiān)硬的納米材料，透光性好，能折疊。因?yàn)橹挥幸粚釉?，電子的運(yùn)動(dòng)被限制在一個(gè)平面上，石墨烯也有著全新的電學(xué)屬性。石墨烯比表面積約為2630m2/g，熱導(dǎo)率為5000W/m;k。

電學(xué)特性石墨烯具有獨(dú)特的載流子特性和無質(zhì)量的狄拉克費(fèi)米子屬性。其電子遷移率可達(dá)到2×105cm2/Vt;s，約為硅中電子遷移率的140倍，砷化鎵的20倍，溫度穩(wěn)定性高，電導(dǎo)率可達(dá)108Ω/m，面電阻約為31Ω/sq（310Ω/m2），比銅或銀更低，是室溫下導(dǎo)電最好的材料。

另外，石墨烯中電子載體和空穴載流子的半整數(shù)量子霍爾效應(yīng)可以通過電場(chǎng)作用改變化學(xué)勢(shì)而被觀察到，而Novoselov等在室溫條件下就觀察到了石墨烯的這種量子霍爾效應(yīng)。

2.石墨烯在鋰電池中的角色

正是由于石墨烯有以上的納米尺寸效應(yīng)、具有極大的比表面積、良好的導(dǎo)電性以及優(yōu)秀的機(jī)械性能等特性，石墨烯被世界各地科學(xué)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(fù)極材料

石墨烯由于其獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的電子傳輸能力以及超大的比表面積等優(yōu)勢(shì)極有潛力替代石墨成為新一代鋰離子電池負(fù)極材料。石墨烯的儲(chǔ)鋰機(jī)制與其他碳材料相似，充電時(shí)鋰離子從正極脫出經(jīng)過電解質(zhì)嵌入碳材料層間形成形成Li2C6，放電時(shí)鋰離子脫出返回正極。由于石墨烯的特殊二維結(jié)構(gòu)，當(dāng)其片層間距大于0.7nm時(shí)，石墨烯的兩面都可以存儲(chǔ)鋰離子，同時(shí)由于石墨烯有褶皺存在也可以進(jìn)行存鋰，所以理論上其容量可能是石墨的兩倍，高于744mAh/g。

另外，石墨烯多為微納米尺寸，遠(yuǎn)小于體相石墨，使得Li離子的擴(kuò)散路徑變短，石墨烯的層間距通常也遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(fù)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(xué)術(shù)研究成果表明石墨烯鋰電池可逆容量可達(dá)500mAh/g以上，以及具有出色的倍率性能。實(shí)驗(yàn)室條件下制備的鋰電負(fù)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?yàn)槠瑺罨驗(yàn)榭招那驙?，各不相同?/p>

2)石墨烯作為導(dǎo)電劑

導(dǎo)電劑的首要作用是提高電子電導(dǎo)率，由于電解液是離子導(dǎo)電的，而電子是無法傳導(dǎo)的，故導(dǎo)電劑是促進(jìn)電子快速穿過活物質(zhì)到達(dá)集流體。另外，導(dǎo)電劑也可以提高極片加工性，促進(jìn)電解液對(duì)極片的浸潤(rùn)，降低電阻率，從而提高鋰電池的使用壽命。

目前常用的導(dǎo)電劑有SP、乙炔黑等，傳統(tǒng)炭黑為球狀，將其與活物質(zhì)混合時(shí)更易相互混合均勻，但是其接觸形式為點(diǎn)點(diǎn)接觸，限制了導(dǎo)電作用的發(fā)揮，增加了導(dǎo)電劑添加量。而是石墨烯是片狀結(jié)構(gòu)，與活性物質(zhì)的接觸為點(diǎn)-面接觸，可以最大化的發(fā)揮導(dǎo)電劑等作用，減少導(dǎo)電劑的用量，從而可以多使用活性物質(zhì)，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(tuán)聚在一起，反倒需要增加石墨烯的用量。同時(shí)，其片狀結(jié)構(gòu)不利于鋰離子的擴(kuò)散，造成電芯內(nèi)阻增大，電池失效加快。

理論上，石墨烯的超快導(dǎo)電性能夠提高電池的倍率性能，但是事實(shí)是石墨烯的單片層結(jié)果阻礙了鋰離子的擴(kuò)散，尤其是在大倍率充放電時(shí)電池內(nèi)部極化加重，電池放電容量降低。相關(guān)研究表明，在低倍率放電條件下，用石墨烯部分替代導(dǎo)電炭黑能夠一定程度上降低導(dǎo)電劑用量，提高電池能量密度，過猶不及。

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