石墨烯暫不適合用于鋰離子電池材料的原因

來(lái)源：存能電氣  日期：2020-02-19 16:12  瀏覽量：次

石墨烯暫不適合用于鋰離子電池材料的原因。石墨烯電池材料的性能優(yōu)異毋庸置疑，但是它是否就一定適合用于鋰離子電池呢？將石墨烯材料用作電極材料或與其他材料的復(fù)合能夠在一定程度上發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，對(duì)鋰電池性能的提升有一定的效果。

石墨烯暫不適合用于鋰離子電池材料的原因

1.成本問(wèn)題

使用石墨烯作為導(dǎo)電劑成本比普通的炭黑高多了，鋰電池的成本是關(guān)鍵的控制因素，不降低原材料的成本，即使石墨烯電學(xué)性能再好，一噸幾十萬(wàn)的成本消耗電池廠家也用不起。

2.工藝問(wèn)題

石墨烯的片狀結(jié)構(gòu)帶來(lái)的工藝問(wèn)題主要是電極漿料的制備。電極漿料要求具有很好的流動(dòng)性、分散性和合適的粘度。片狀石墨烯在電極漿料中的分散是個(gè)很棘手的問(wèn)題，尤其是電極漿料無(wú)法添加分散劑來(lái)助分散。石墨烯的表面積很大，對(duì)于漿料的沉降穩(wěn)定性有很大的影響，且無(wú)法保證各批次一致性，影響鋰離子電池性能。

3.其它因素

石墨烯的片狀結(jié)構(gòu)抑制鋰離子的擴(kuò)散，容易造成鋰離子電池極化嚴(yán)重，造成鋰電池容量降低。石墨烯表面豐富的官能團(tuán)就是石墨烯表面的小傷口，添加過(guò)多不僅會(huì)降低電池能量密度，而且會(huì)增加電解液吸液量，另外一方面還會(huì)增加與電解液的副反應(yīng)而影響循環(huán)性，甚至有可能帶來(lái)安全性問(wèn)題。

石墨烯材料由于首次庫(kù)侖效率低、充放電平臺(tái)較高以及循環(huán)穩(wěn)定性較差等缺陷并不能取代目前商用的碳材料直接用作鋰離子電池負(fù)極材料。如果綜合考量材料成本、生產(chǎn)工藝、加工性和電化學(xué)性能，筆者認(rèn)為，石墨烯或者石墨烯復(fù)合材料實(shí)際用于鋰電負(fù)極材料的可能性很小產(chǎn)業(yè)化前景渺茫。

石墨烯在鋰電池材料中扮演的角色

●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(guò)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。

●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(wú)法傳導(dǎo)的，故導(dǎo)電劑是促進(jìn)電子快速穿過(guò)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。

●正極材料

對(duì)于鋰離子電池，可應(yīng)用的正極材料應(yīng)當(dāng)滿足可逆容量大、電位高且穩(wěn)定、無(wú)毒害、制作成本低等特點(diǎn)。目前較為常見(jiàn)的鋰離子電池正極材料多為磷酸鐵鋰材料，但LiFePO4的電導(dǎo)率差、鋰離子遷移率較低。若將LiFePO4材料與石墨烯復(fù)合，理論上可以改善其導(dǎo)電能力，提高倍率性能。

石墨烯鋰離子電池材料的應(yīng)用前景

石墨烯作為一種新型納米材料,以其特殊的二維單層延伸碳結(jié)構(gòu)、出色的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、韌性及強(qiáng)度等優(yōu)異性能,在功能材料、能源等多個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。在石墨烯技術(shù)與應(yīng)用方面，由于石墨烯應(yīng)用在電子領(lǐng)域還處在實(shí)驗(yàn)階段，最快可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的領(lǐng)域包括能源、環(huán)境和復(fù)合材料等領(lǐng)域。

然而，在石墨烯電極材料開(kāi)發(fā)的初級(jí)階段，仍有許多問(wèn)題需要解決，例如復(fù)合材料的循環(huán)性能由于材料微觀結(jié)構(gòu)不可逆改變而嚴(yán)重下降；電池的倍率性能大小不夠理想；材料制備成本對(duì)實(shí)際使用推廣的局限作用等。

總結(jié)：石墨烯的振實(shí)和壓實(shí)密度都非常低，成本極其昂貴，根本不存在取代石墨類材料直接用作鋰離子電池負(fù)極的可能性。石墨烯在鋰離子電池的應(yīng)用比較多元化,目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的是用在正極材料中作為導(dǎo)電添加劑，未來(lái)石墨烯前景無(wú)限。