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[導(dǎo)讀]石墨烯作為一種超級(jí)材料,憑借著優(yōu)異的電化學(xué)和機(jī)械性能,吸引了廣泛的關(guān)注,2015年,習(xí)近平總書記在訪問英國的行程中特意訪問了英國曼徹斯特大學(xué)的國家石墨烯研究所,并對(duì)

石墨烯作為一種超級(jí)材料,憑借著優(yōu)異的電化學(xué)和機(jī)械性能,吸引了廣泛的關(guān)注,2015年,習(xí)近平總書記在訪問英國的行程中特意訪問了英國曼徹斯特大學(xué)的國家石墨烯研究所,并對(duì)這種具有特殊性能的超級(jí)材料做出了高度評(píng)價(jià),隨后華為公司就宣布將投資數(shù)百萬英鎊與該研究所就石墨烯在信息和通信技術(shù)方面的應(yīng)用前景展開研究。在國內(nèi)的A股市場(chǎng)也掀起了一場(chǎng)石墨烯材料的概念炒作風(fēng)暴,凡是和石墨烯概念的相關(guān)的股票紛紛大漲,也有不少電池企業(yè)宣布自己研發(fā)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(guān)注。

小編作為一名鋰離子電池行業(yè)的資深從業(yè)者,這些所謂的石墨烯電池并不能瞞過小編的眼睛。其實(shí)大多數(shù)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(dǎo)電劑,添加量不足1%,本質(zhì)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(shí)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(qiáng)鋰離子電池在高溫下的工作能力,石墨烯并不參加鋰離子電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng),嚴(yán)格意義上只能稱為石墨烯增強(qiáng)鋰離子電池。

其實(shí),在現(xiàn)有的技術(shù)能力下,考慮到成本等因素的限制,石墨烯目前主要應(yīng)用還是作為鋰離子電池的導(dǎo)電劑和輔助散熱手段。傳統(tǒng)的鋰離子電池導(dǎo)電劑,如炭黑SP,碳纖維VGCF等,與活性物質(zhì)的接觸是點(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,提升鋰離子電池的能量密度,但是再好的材料也存在缺點(diǎn),石墨烯的片狀結(jié)構(gòu),會(huì)對(duì)鋰離子擴(kuò)散形成阻礙,在較大的工作電流密度時(shí),會(huì)造成Li+的擴(kuò)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(duì)石墨烯作為鋰離子電池導(dǎo)電劑的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析。

天津大學(xué)的楊全紅老師是石墨烯行業(yè)的資深學(xué)者,在2012年發(fā)表于Nano Energy的文章上,研究了石墨烯用作鋰離子電池導(dǎo)電劑的優(yōu)缺點(diǎn)。在楊老師的研究中,采用了商用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(nèi)的傳統(tǒng)導(dǎo)電劑,不但可以提升化性物質(zhì)的比例,還能顯著的降低鋰離子電池的阻抗,但是由于石墨烯的片狀結(jié)構(gòu),會(huì)對(duì)Li+快速擴(kuò)散形成很大的阻礙,因此在大電流充放電(>3C)時(shí),會(huì)使鋰離子電池產(chǎn)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(dǎo)電劑適合應(yīng)用在一些對(duì)鋰離子電池充放電倍率要求不高的場(chǎng)合,石墨烯的添加可以顯著的提升活性物質(zhì)的占比,降低電極阻抗,提升鋰離子電池的能量密度,但是在一些石墨烯并不適合應(yīng)用在功率型電池(充放電倍率>3C)上作為導(dǎo)電劑。

實(shí)驗(yàn)中楊全紅的團(tuán)隊(duì)制作了兩種電池,一種是普通的對(duì)照組電池,使用了7%的炭黑和3%的導(dǎo)電石墨,實(shí)驗(yàn)組則使用1%的石墨烯和1%炭黑作為導(dǎo)電劑。試驗(yàn)結(jié)果顯示,在相同的涂布量的前提下,使用石墨烯的實(shí)驗(yàn)組電池容量(0.5C充放電)要明顯高于對(duì)照組電池,并且兩者的循環(huán)性能接近,表明石墨烯能夠搭建起更為高效的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),從而減少導(dǎo)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。

在隨后的倍率實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),在0.5C、1C和2C的充放電倍率下,實(shí)驗(yàn)組的石墨烯導(dǎo)電劑電池相比于對(duì)照組電池都表出了更高的容量和更小的極化,但是當(dāng)充放電倍率提高到3C時(shí),實(shí)驗(yàn)組電池容量迅速下降到4Ah以下,而對(duì)照組電池的容量仍然保持在9Ah左右,繼續(xù)將放電倍率提高到4C,實(shí)驗(yàn)組石墨烯導(dǎo)電劑電池由于極化太大,已經(jīng)無法放電,而對(duì)照組電池則相對(duì)穩(wěn)定。

EIS分析顯示,添加石墨烯的實(shí)驗(yàn)組電池的歐姆阻抗要明顯低于對(duì)照組電池,這主要得益于石墨烯的片狀結(jié)構(gòu)能夠于活性物質(zhì)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(shí)驗(yàn)組電池要明顯高于對(duì)照組電池,這表明石墨烯的加入影響了Li+在電極內(nèi)的擴(kuò)散。仿真結(jié)果顯示,主要是由于石墨烯的片狀結(jié)構(gòu)對(duì)Li+的擴(kuò)散形成了阻礙,導(dǎo)致Li+的擴(kuò)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(dǎo)致電池的放電容量下降。而傳統(tǒng)的炭黑、導(dǎo)電碳纖維和導(dǎo)電石墨等材料,由于橫截面較小,因此對(duì)Li+的擴(kuò)散阻礙較小,對(duì)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(dǎo)電劑雖然能夠顯著的提升電極的導(dǎo)電性,降低導(dǎo)電劑的用量,提升鋰離子電池的能量密度,但是并不是所有的鋰離子電池適合食用石墨烯作為導(dǎo)電劑,在一些對(duì)充放電電流需求不高的領(lǐng)域,例如儲(chǔ)能、電子設(shè)備等,工作電流較小,適合采用石墨烯取代傳統(tǒng)的導(dǎo)電劑。但是在一些對(duì)充放電電流要求較高的領(lǐng)域,例如高功率電池、動(dòng)力電池等方面,由于石墨烯會(huì)造成鋰離子電池在大電流情況下,極化增加,并不適合采用石墨烯作為導(dǎo)電劑。

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