鉅大LARGE | 點擊量：1408次 | 2018年05月06日
解讀石墨烯鋰電池導(dǎo)電劑的緣起、現(xiàn)狀
隨著能源與環(huán)境問題的日益突出，開發(fā)新能源、推廣電動汽車已經(jīng)是大勢所趨。而這些新興技術(shù)都離不開儲能器件的發(fā)展.作為最為重要的儲能器件，鋰離子電池得到了廣大研究者和產(chǎn)業(yè)界的密切關(guān)注.各種新型鋰離子電池關(guān)鍵材料被研發(fā)出來，推動了鋰離子電池的迅猛發(fā)展.目前廣泛應(yīng)用的鋰離子電池正極材料包括鈷酸鋰(LiCoO2，LCO)、錳酸鋰(LiMn2O4，LMO)、磷酸鐵鋰(LiFePO4，LFP)和三元材料(LiNixCoyMn1xyO2，NCM)等.由于上述正極材料的電導(dǎo)率較低，需要在材料顆粒之間添加導(dǎo)電劑構(gòu)建電子導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，為電子傳輸提供快速通道.。
鋰離子電池中電化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生需要電子和鋰離子同時到達活性物質(zhì)表面，因此電子能夠及時參與電化學(xué)反應(yīng)才能實現(xiàn)正極活性物質(zhì)性能的良好發(fā)揮.如果不使用導(dǎo)電劑，電池內(nèi)部歐姆極化增大，電池容量會顯著降低.因此，導(dǎo)電劑同樣也是鋰離子電池中的關(guān)鍵材料，能夠確?；钚晕镔|(zhì)容量的充分發(fā)揮，對于鋰離子電池性能提升具有重要作用。
另一方面，由于導(dǎo)電劑本身在充放電過程中并不提供容量，所以往往希望在確?；钚晕镔|(zhì)容量發(fā)揮的同時盡量減少導(dǎo)電劑的使用量，以提高正極中活性物質(zhì)的比例，從而改善電池的質(zhì)量能量密度.目前所使用的導(dǎo)電劑通常是碳材料，如導(dǎo)電碳黑、導(dǎo)電石墨及碳納米管等.由于這些碳材料相對于活性物質(zhì)來說密度較低，減少導(dǎo)電劑的使用量能夠顯著提高電池的體積能量密度。
石墨烯是一種新型的納米碳質(zhì)材料，具有獨特的幾何結(jié)構(gòu)特征和物理性能.自2010年率先將其作為導(dǎo)電劑用于商品化鋰離子電池中以來，本課題組針對石墨烯導(dǎo)電劑展開了系統(tǒng)的研究工作.石墨烯用作導(dǎo)電劑具有“至柔至薄至密”的特點，主要有以下4點優(yōu)勢：
(1)電子電導(dǎo)率高，使用很少量的石墨烯就可以有效降低電池內(nèi)部的歐姆極化；
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
(2)二維片層結(jié)構(gòu)，與零維的碳黑顆粒和一維碳納米管相比，石墨烯可以和活性物質(zhì)實現(xiàn)“面-點”接觸，具有更低的導(dǎo)電閾值，并且可以從更大的空間跨度上在極片中構(gòu)建導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)整個電極上的“長程導(dǎo)電”(不同制備方法制備得到的石墨烯材料尺寸有所區(qū)別；本課題組采用熱還原氧化石墨法，制備得到的石墨烯片層尺寸約2um)；
(3)超薄特性，石墨烯是典型的表面性固體，相較于具有多sp2碳層的碳黑、導(dǎo)電石墨和多壁碳納米管，石墨烯上所有碳原子都可以暴露出來進行電子傳遞，原子利用效率高，故可以在最少的使用量下構(gòu)成完整的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，提高電池的能量密度；
(4)高柔韌性，能夠與活性物質(zhì)良好接觸，緩沖充放電過程中活性物質(zhì)材料出現(xiàn)的體積膨脹收縮，抑制極片的回彈效應(yīng)，保證電池良好的循環(huán)性能。
由于上述優(yōu)勢，基于石墨烯導(dǎo)電劑的鋰離子電池可實現(xiàn)致密構(gòu)建.具有“至柔至薄至密”特征的石墨烯導(dǎo)電劑展現(xiàn)了良好的應(yīng)用前景.與將石墨烯和正極材料做成復(fù)合電極材料的思路相比，直接作為鋰離子電池導(dǎo)電劑將有可能是石墨烯材料最先產(chǎn)業(yè)化的應(yīng)用.
雖然就電子導(dǎo)電性而言，石墨烯相比于其他導(dǎo)電劑具有非常明顯的優(yōu)勢，但是目前在實際應(yīng)用過程中仍然有不少瓶頸.一方面，在電極內(nèi)部，其平面結(jié)構(gòu)會對離子的傳輸產(chǎn)生位阻效應(yīng)，尤其是在較大電流倍率下時該作用更加明顯。
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