石墨烯作为一种超级材料, 凭借着优异的电化学和机械性能, 吸引了广泛的关注, 2015年, 国家领导人在访问英国的行程中特意访问了英国曼彻斯特大学的国家石墨烯研究所, 并对这种具有特殊性能的超级材料做出了高度评价, 随后华为公司就宣布将投资数百万英镑与该研究所就石墨烯在信息和通信技术方面的应用前景展开研究. 在国内的A股市场也掀起了一场石墨烯材料的概念炒作风暴, 凡是和石墨烯概念的相关的股票纷纷大涨, 也有不少电池企业宣布自己研发出了 '全球首款石墨烯电池' , 虽然这些都是电池厂家放出的烟雾弹, 但是也博取了众人的眼球, 引起了广泛的关注.
小编作为一名锂离子电池行业的资深从业者, 这些所谓的石墨烯电池并不能瞒过小编的眼睛. 其实大多数的石墨烯电池仅仅是使用少量的石墨烯作为锂离子电池的导电剂, 添加量不足1%, 本质上还是锂离子电池, 只不过是以石墨烯作为宣传的噱头, 而前一段时间炒作的华为石墨烯电池, 仅仅是以石墨烯作为锂离子电池的散热辅助手段, 增强锂离子电池在高温下的工作能力, 石墨烯并不参加锂离子电池内部的电化学反应, 严格意义上只能称为石墨烯增强锂离子电池.
其实, 在现有的技术能力下, 考虑到成本等因素的限制, 石墨烯目前主要应用还是作为锂离子电池的导电剂和辅助散热手段. 传统的锂离子电池导电剂, 如炭黑SP, 碳纤维VGCF等, 与活性物质的接触是点接触, 限制了导电作用的发挥, 增加了导电剂添加量. 而是石墨烯是片状结构, 与活性物质的接触为点-面接触, 可以最大化的发挥导电剂等作用, 减少导电剂的用量, 提升锂离子电池的能量密度, 但是再好的材料也存在缺点, 石墨烯的片状结构, 会对锂离子扩散形成阻碍, 在较大的工作电流密度时, 会造成Li+的扩散阻抗增加, 从而造成电池的倍率性能下降. 今天小编就带大家对石墨烯作为锂离子电池导电剂的优缺点进行分析.
天津大学的杨全红老师是石墨烯行业的资深学者, 在2012年发表于Nano Energy的文章上, 研究了石墨烯用作锂离子电池导电剂的优缺点. 在杨老师的研究中, 采用了商用10Ah的 'LiFePO4/石墨' 方形锂离子电池. 研究显示, 以少量 (1%) 的石墨烯取代锂离子电池内的传统导电剂, 不但可以提升化性物质的比例, 还能显著的降低锂离子电池的阻抗, 但是由于石墨烯的片状结构, 会对Li+快速扩散形成很大的阻碍, 因此在大电流充放电 (﹥3C) 时, 会使锂离子电池产生很大的极化, 影响锂离子电池的放电容量. 这一研究显示, 石墨烯作为导电剂适合应用在一些对锂离子电池充放电倍率要求不高的场合, 石墨烯的添加可以显著的提升活性物质的占比, 降低电极阻抗, 提升锂离子电池的能量密度, 但是在一些石墨烯并不适合应用在功率型电池 (充放电倍率﹥3C) 上作为导电剂.
实验中杨全红的团队制作了两种电池, 一种是普通的对照组电池, 使用了7%的炭黑和3%的导电石墨, 实验组则使用1%的石墨烯和1%炭黑作为导电剂. 试验结果显示, 在相同的涂布量的前提下, 使用石墨烯的实验组电池容量 (0.5C充放电) 要明显高于对照组电池, 并且两者的循环性能接近, 表明石墨烯能够搭建起更为高效的导电网络, 从而减少导电剂的用量, 提高锂离子电池的容量 (10%) , 降低电池的极化, 提升电池的能量密度.
在随后的倍率实验中发现, 在0.5C, 1C和2C的充放电倍率下, 实验组的石墨烯导电剂电池相比于对照组电池都表出了更高的容量和更小的极化, 但是当充放电倍率提高到3C时, 实验组电池容量迅速下降到4Ah以下, 而对照组电池的容量仍然保持在9Ah左右, 继续将放电倍率提高到4C, 实验组石墨烯导电剂电池由于极化太大, 已经无法放电, 而对照组电池则相对稳定.
EIS分析显示, 添加石墨烯的实验组电池的欧姆阻抗要明显低于对照组电池, 这主要得益于石墨烯的片状结构能够于活性物质颗粒形成很好的接触, 降低接触电阻, 但是在高频段的电荷交换阻抗, 实验组电池要明显高于对照组电池, 这表明石墨烯的加入影响了Li+在电极内的扩散. 仿真结果显示, 主要是由于石墨烯的片状结构对Li+的扩散形成了阻碍, 导致Li+的扩撒路径延长, 从而造成了添加石墨烯的锂离子电池在大电流下极化增加, 导致电池的放电容量下降. 而传统的炭黑, 导电碳纤维和导电石墨等材料, 由于横截面较小, 因此对Li+的扩散阻碍较小, 对锂离子电池大电流放电性能影响不大.
该研究表明, 石墨烯作为导电剂虽然能够显著的提升电极的导电性, 降低导电剂的用量, 提升锂离子电池的能量密度, 但是并不是所有的锂离子电池适合食用石墨烯作为导电剂, 在一些对充放电电流需求不高的领域, 例如储能, 电子设备等, 工作电流较小, 适合采用石墨烯取代传统的导电剂. 但是在一些对充放电电流要求较高的领域, 例如高功率电池, 动力电池等方面, 由于石墨烯会造成锂离子电池在大电流情况下, 极化增加, 并不适合采用石墨烯作为导电剂.
