淺述石墨烯導(dǎo)電劑在電池領(lǐng)域中的應(yīng)用

李琰

[摘 要]石墨烯的發(fā)現(xiàn)是電池行業(yè)中的重大突破，自發(fā)現(xiàn)以來十幾年的時(shí)間，改變了電池行業(yè)的格局，石墨烯導(dǎo)電性能良好，而且強(qiáng)度極高以及透光性極好，石墨烯的出現(xiàn)可以說是電子行業(yè)發(fā)展中的一輪革命。石墨烯是迄今為止最好的二維尺度納米碳材料，導(dǎo)電性強(qiáng)，而且具備較好的傳熱性能、機(jī)械性能以及獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征，在鋰電池領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。本文主要探討石墨烯的基本特性，對(duì)目前石墨烯的研究進(jìn)行介紹，探究其未來的發(fā)展及應(yīng)用方向。總結(jié)了石墨烯作為導(dǎo)電劑，在鋰離子電池、新型鋰硫電池、鉛酸電池導(dǎo)中的研究進(jìn)展。

[關(guān)鍵詞]石墨烯；導(dǎo)電劑；鋰電池

[中圖分類號(hào)]TM912 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

1 石墨烯發(fā)展概況

由于當(dāng)前社會(huì)對(duì)能源的日益需求和保護(hù)環(huán)境的重要性，電池的發(fā)展面臨新的問題與機(jī)遇，要求電池既環(huán)保又高效能，因此在電池的技術(shù)方面需要有更多突破。石墨烯自2004年被英國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)以來，是迄今為止最好的二維尺度納米碳材料，導(dǎo)電性強(qiáng)，而且具備較好的傳熱性能、機(jī)械性能以及獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征，在鋰電池領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。本文主要探討石墨烯的基本特性，對(duì)目前石墨烯的研究進(jìn)行介紹，探究其未來的發(fā)展及應(yīng)用方向。對(duì)石墨烯作為導(dǎo)電劑，在鋰離子電池、新型鋰硫電池、鉛酸電池導(dǎo)中的研究進(jìn)展總結(jié)。

石墨烯的發(fā)現(xiàn)是電池行業(yè)中的重大突破，自被發(fā)現(xiàn)以來十幾年的時(shí)間，已經(jīng)改變了電池行業(yè)的格局，石墨烯導(dǎo)電性能良好、而且強(qiáng)度極高以及透光性極好，石墨烯的的出現(xiàn)可以說是電子行業(yè)發(fā)展中的一輪革命。石墨烯的電子運(yùn)輸性能強(qiáng)，超過了很多傳統(tǒng)的導(dǎo)體和半導(dǎo)體，由于電子和原子的碰撞，傳統(tǒng)的半導(dǎo)體和導(dǎo)體用熱的形式釋放了一些能量，在一般的電子產(chǎn)品的芯片中能量的損耗可以達(dá)到70%，石墨烯的電子能量不會(huì)被損耗，這一特點(diǎn)使得石墨烯具備良好的特性。

2 石墨烯導(dǎo)電劑的應(yīng)用特性

2.1 石墨烯的電子運(yùn)輸性

傳統(tǒng)的半導(dǎo)體和導(dǎo)體在電子運(yùn)輸過程中釋放出了一些能量，這就帶來了能量的損耗，這一方向一直也是科研界研究的重點(diǎn)，降低能量的損耗，發(fā)揮最大的能效比。在石墨烯沒有被發(fā)現(xiàn)以前，認(rèn)為在電子運(yùn)輸過程中必然會(huì)造成很大的能量損耗，但是石墨烯的能量損耗極低，改變了物理學(xué)家普遍的熱力學(xué)看法。所以，它的發(fā)現(xiàn)立即對(duì)物理學(xué)界也帶來很大的影響。雖然理論和實(shí)驗(yàn)界都認(rèn)為完美的二維結(jié)構(gòu)無法在非絕對(duì)零度穩(wěn)定存在，但是單層石墨烯在實(shí)驗(yàn)中被制備出來。這些可能歸結(jié)于石墨烯的碳原子在承受壓力時(shí)不用重新排列。

2.2 石墨烯的導(dǎo)電性

石墨烯的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，通過研究發(fā)現(xiàn)石墨烯中各碳原子在受到外界的壓力時(shí)，碳原子面彎曲變形，使碳原子不必重新排列以適應(yīng)外力，外界碳原子面破壞力不大，對(duì)因而結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。這種穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)使碳原子具有優(yōu)良的導(dǎo)電性。當(dāng)石墨烯在軌道上移動(dòng)時(shí)，由于晶格缺陷或外來原子的引入，它不會(huì)散射。原子間的強(qiáng)相互作用下，碳原子被壓縮的情況下，石墨烯中的電子受干擾性也不大。石墨烯最重要的特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)速度極快，超過一般的導(dǎo)體和半導(dǎo)體，電子運(yùn)動(dòng)速度方面達(dá)到了1/300的光的速度。因?yàn)檫@些特性，石墨烯的電子運(yùn)輸性能強(qiáng)，其導(dǎo)電性能高于其他導(dǎo)體和半導(dǎo)體。

2.3 石墨烯的機(jī)械特性

石墨烯的強(qiáng)度比鉆石還堅(jiān)硬，是最堅(jiān)硬的導(dǎo)體，比鋼鐵的強(qiáng)度還要高上上百倍。有物理學(xué)家全面研究了石墨烯的機(jī)械特性。實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)驗(yàn)把石墨烯顆粒作為研究對(duì)象，選取10～20微米。研究人員首先將石墨烯樣品放在表面有一個(gè)小孔的晶體薄片上，直徑在1到1.5微米之間。之后，對(duì)石墨烯樣品進(jìn)行壓力的測(cè)試，通過測(cè)試樣品能夠承受最大的壓力來驗(yàn)證其堅(jiān)硬程度。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)100納米的石墨烯可以承受2.9微牛?？梢院?jiǎn)單的理解為，1米長(zhǎng)的石墨烯需要用55牛頓的壓力打破。 如果物理學(xué)家能夠去除厚度相當(dāng)于普通塑料食品包裝袋的石磨心，需要更大的壓力才能打破，根據(jù)科學(xué)家估計(jì)需要兩萬(wàn)牛才能打破壓力。換句話說，如果一個(gè)包裝袋是用石墨烯制成的，就能承受兩噸左右的重量，可見其堅(jiān)硬程度之強(qiáng)。

3 石墨烯導(dǎo)電劑在電池中的應(yīng)用

電池導(dǎo)電劑是電池正負(fù)極材料、電極互聯(lián)的關(guān)鍵輔助材料，對(duì)電池的充放電次數(shù)、內(nèi)阻、功率性能產(chǎn)生很大影響。石墨烯是近年來研究較多的一種新型碳材料，具有優(yōu)異的導(dǎo)電性

能和倍率性能，將其應(yīng)用于鋰離子電池材料、鋰硫電池和鉛酸中，可以大幅度提高電池的電容量和大倍率充放電性能。在目前現(xiàn)有的鋰離子電池體系中，電池使用的正負(fù)極材料本身具有較低的離子與電子電導(dǎo)率，這是影響和限制鋰電池充放電循環(huán)和倍率性能的主要因素。正負(fù)極材料本身過高的電阻值會(huì)引起電極極片的極化，這直接導(dǎo)致鋰電池電極材料利用率的迅速降低和鋰電池循環(huán)性能的迅速衰減。為了能夠建立高效的電池正負(fù)極材料導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)和結(jié)構(gòu)，需要添加高效的電池材料導(dǎo)電劑，并且對(duì)電極材料導(dǎo)電劑的形態(tài)、性能和添加量要求較高，需要有合適的匹配關(guān)系。其中導(dǎo)電劑本身并不具有提供嵌脫鋰容量的特性，這導(dǎo)致整個(gè)鋰電池體系的比能量與比功率能力發(fā)生小幅的降低。

近年來，石墨烯添加到鉛酸蓄電池對(duì)鉛酸蓄電池的性能有很大的提高，加入少量石墨烯可以提高鉛酸蓄電池的負(fù)極導(dǎo)電性。在作為導(dǎo)電劑使用時(shí)，鉛酸蓄電池在高倍率放電狀態(tài)下，能夠促進(jìn)硫酸溶液更容易、更快、更深地進(jìn)入鉛負(fù)極活性物質(zhì)，從而增加鉛酸蓄電池在高功率循環(huán)次數(shù)和放電深度條件。石墨烯的電導(dǎo)率主要取決于材料本身的缺陷和純度。由于石墨烯的諸多優(yōu)點(diǎn)，對(duì)石墨烯二維新材料對(duì)鉛酸蓄電池性能影響的研究正在不斷深入。

石墨烯導(dǎo)電劑電極復(fù)合材料能夠發(fā)揮更好的性能，傳輸速度快，電池的功率性能明顯提高，減少了電子的運(yùn)輸時(shí)間。與其他的導(dǎo)電劑相比，只需要少量的添加量，就可以發(fā)揮電池的高性能，因此石墨烯導(dǎo)電劑電極復(fù)合材料的鋰電池的重量也能夠減輕，這一點(diǎn)對(duì)一些電子產(chǎn)品的應(yīng)用非常重要。當(dāng)前，新能源汽車的開發(fā)研究以及未來大量投入的使用，給鋰電池提出了更高的要求，需要打造高性能的電池，以保障其續(xù)航能力，其中最重要的問題就是解決正極材料的導(dǎo)電性能問題。傳統(tǒng)的導(dǎo)電劑添加，無法達(dá)到高導(dǎo)電的性能。石墨烯導(dǎo)電劑在新能源汽車動(dòng)力電池方面有著不可替代的作用，是目前高性能的導(dǎo)電添加劑。電子的運(yùn)輸效率相比其他導(dǎo)電添加劑速率要快得多，能夠有效降低電池的內(nèi)阻，從而提升電池的沖放電性能。而且石墨烯比較有利于產(chǎn)業(yè)化，制備簡(jiǎn)單，價(jià)格相對(duì)其他導(dǎo)電添加劑價(jià)格低，同時(shí)隨著技術(shù)的進(jìn)步，石墨烯作為導(dǎo)電劑應(yīng)用中的各種問題已經(jīng)逐步解決，具備產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)要求。

4 結(jié)論

由石墨烯的性能所決定，石墨烯的必定在電池應(yīng)用領(lǐng)域有更多的研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯結(jié)構(gòu)獨(dú)特且性能良好，在已知研究結(jié)果中可以了解到石墨烯作為導(dǎo)電劑材料使用可以解決傳統(tǒng)鉛酸電池的能量密度與功率密度，使兩者兼得，提高電池的性能。石墨烯還可以在電池復(fù)合材料中應(yīng)用，因此應(yīng)用的方向更為廣泛，例如石墨烯硅碳復(fù)合負(fù)極材料，石墨烯磷酸鐵鋰復(fù)合材料?？傊┰阡囯姵刂械膽?yīng)用是未來的發(fā)展趨勢(shì)。

[參考文獻(xiàn)]

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