石墨烯作為一種超級材料, 憑藉著優異的電化學和機械性能, 吸引了廣泛的關注, 2015年, 國家領導人在訪問英國的行程中特意訪問了英國曼徹斯特大學的國家石墨烯研究所, 並對這種具有特殊性能的超級材料做出了高度評價, 隨後華為公司就宣布將投資數百萬英鎊與該研究所就石墨烯在資訊和通信技術方面的應用前景展開研究. 在國內的A股市場也掀起了一場石墨烯材料的概念炒作風暴, 凡是和石墨烯概念的相關的股票紛紛大漲, 也有不少電池企業宣布自己研發出了 '全球首款石墨烯電池' , 雖然這些都是電池廠家放出的煙霧彈, 但是也博取了眾人的眼球, 引起了廣泛的關注.
小編作為一名鋰離子電池行業的資深從業者, 這些所謂的石墨烯電池並不能瞞過小編的眼睛. 其實大多數的石墨烯電池僅僅是使用少量的石墨烯作為鋰離子電池的導電劑, 添加量不足1%, 本質上還是鋰離子電池, 只不過是以石墨烯作為宣傳的噱頭, 而前一段時間炒作的華為石墨烯電池, 僅僅是以石墨烯作為鋰離子電池的散熱輔助手段, 增強鋰離子電池在高溫下的工作能力, 石墨烯並不參加鋰離子電池內部的電化學反應, 嚴格意義上只能稱為石墨烯增強鋰離子電池.
其實, 在現有的技術能力下, 考慮到成本等因素的限制, 石墨烯目前主要應用還是作為鋰離子電池的導電劑和輔助散熱手段. 傳統的鋰離子電池導電劑, 如炭黑SP, 碳纖維VGCF等, 與活性物質的接觸是點接觸, 限制了導電作用的發揮, 增加了導電劑添加量. 而是石墨烯是片狀結構, 與活性物質的接觸為點-面接觸, 可以最大化的發揮導電劑等作用, 減少導電劑的用量, 提升鋰離子電池的能量密度, 但是再好的材料也存在缺點, 石墨烯的片狀結構, 會對鋰離子擴散形成阻礙, 在較大的工作電流密度時, 會造成Li+的擴散阻抗增加, 從而造成電池的倍率性能下降. 今天小編就帶大家對石墨烯作為鋰離子電池導電劑的優缺點進行分析.
天津大學的楊全紅老師是石墨烯行業的資深學者, 在2012年發表於Nano Energy的文章上, 研究了石墨烯用作鋰離子電池導電劑的優缺點. 在楊老師的研究中, 採用了商用10Ah的 'LiFePO4/石墨' 方形鋰離子電池. 研究顯示, 以少量 (1%) 的石墨烯取代鋰離子電池內的傳統導電劑, 不但可以提升化性物質的比例, 還能顯著的降低鋰離子電池的阻抗, 但是由於石墨烯的片狀結構, 會對Li+快速擴散形成很大的阻礙, 因此在大電流充放電 (﹥3C) 時, 會使鋰離子電池產生很大的極化, 影響鋰離子電池的放電容量. 這一研究顯示, 石墨烯作為導電劑適合應用在一些對鋰離子電池充放電倍率要求不高的場合, 石墨烯的添加可以顯著的提升活性物質的佔比, 降低電極阻抗, 提升鋰離子電池的能量密度, 但是在一些石墨烯並不適合應用在功率型電池 (充放電倍率﹥3C) 上作為導電劑.
實驗中楊全紅的團隊製作了兩種電池, 一種是普通的對照組電池, 使用了7%的炭黑和3%的導電石墨, 實驗組則使用1%的石墨烯和1%炭黑作為導電劑. 試驗結果顯示, 在相同的塗布量的前提下, 使用石墨烯的實驗組電池容量 (0.5C充放電) 要明顯高於對照組電池, 並且兩者的迴圈性能接近, 表明石墨烯能夠搭建起更為高效的導電網路, 從而減少導電劑的用量, 提高鋰離子電池的容量 (10%) , 降低電池的極化, 提升電池的能量密度.
在隨後的倍率實驗中發現, 在0.5C, 1C和2C的充放電倍率下, 實驗組的石墨烯導電劑電池相比於對照組電池都表出了更高的容量和更小的極化, 但是當充放電倍率提高到3C時, 實驗組電池容量迅速下降到4Ah以下, 而對照組電池的容量仍然保持在9Ah左右, 繼續將放電倍率提高到4C, 實驗組石墨烯導電劑電池由於極化太大, 已經無法放電, 而對照組電池則相對穩定.
EIS分析顯示, 添加石墨烯的實驗組電池的歐姆阻抗要明顯低於對照組電池, 這主要得益於石墨烯的片狀結構能夠於活性物質顆粒形成很好的接觸, 降低接觸電阻, 但是在高頻段的電荷交換阻抗, 實驗組電池要明顯高於對照組電池, 這表明石墨烯的加入影響了Li+在電極內的擴散. 模擬結果顯示, 主要是由於石墨烯的片狀結構對Li+的擴散形成了阻礙, 導致Li+的擴撒路徑延長, 從而造成了添加石墨烯的鋰離子電池在大電流下極化增加, 導致電池的放電容量下降. 而傳統的炭黑, 導電碳纖維和導電石墨等材料, 由於橫截面較小, 因此對Li+的擴散阻礙較小, 對鋰離子電池大電流放電性能影響不大.
該研究表明, 石墨烯作為導電劑雖然能夠顯著的提升電極的導電性, 降低導電劑的用量, 提升鋰離子電池的能量密度, 但是並不是所有的鋰離子電池適合食用石墨烯作為導電劑, 在一些對充放電電流需求不高的領域, 例如儲能, 電子設備等, 工作電流較小, 適合採用石墨烯取代傳統的導電劑. 但是在一些對充放電電流要求較高的領域, 例如高功率電池, 動力電池等方面, 由於石墨烯會造成鋰離子電池在大電流情況下, 極化增加, 並不適合採用石墨烯作為導電劑.
