石墨烯+鋰離子電池≠石墨烯電池

我們了解，鋰離子電池由正極、負極、隔膜、電解液四大材料構成，目前重要應用的負極材料為石墨。而石墨烯是從石墨中剝離出來、由碳原子組成的只有一層原子厚度（0.35納米）的二維晶體，各項性能優(yōu)于石墨，具有極強導電性、超高強度、高韌性、較高導熱性能等，被譽為新材料之王。人們希望其取代石墨充當電池負極，或者用于鋰離子電池其他關鍵材料，以期將鋰離子電池的能量密度和功率密度大幅提高。

目前，很多人將含有石墨烯材料的電池稱為石墨烯電池。其實，稱這些電池為石墨烯電池并不十分科學和嚴謹，并且這個概念也不符合行業(yè)命名原則，非行業(yè)共識。天津大學化工學院教授楊全紅在接受科技日報記者采訪時指出，石墨烯因其獨特的物理化學性質，已經在鋰離子電池中展示出巨大的應用潛力。但是，作為一種碳納米材料，石墨烯之于鋰離子電池并未超出目前常用碳材料的用途范疇。雖然目前科技論文、公司產品等有關石墨烯提升鋰離子電池性能的消息屢見不鮮，但其核心儲能機理并未因石墨烯的加入而改變，因此將添加了石墨烯的鋰離子電池稱為石墨烯電池并不恰當。

此外，從專業(yè)的角度，電池即便以關鍵材料命名，也一般遵循正極負極活性材料的規(guī)則，鋰離子電池的充放電，由鋰離子在正、負極材料中的嵌入和脫出來完成。因此，假如命名為石墨烯電池，則石墨烯應該是重要的電極材料，但現(xiàn)在石墨烯類似添加劑，在電池中的重要用途是提高電極的導電性或者導熱/散熱特性，并不是電池正負極的活性材料。因此并不能將這樣的電池命名為石墨烯電池，而將之稱為石墨烯基鋰離子電池則更準確。

從目前技術發(fā)展階段來看，石墨烯電池尚未出現(xiàn)。石墨具有層狀結構，這種結構給鋰離子的嵌入設置了一個閘口，是鋰離子電池具有充放電平臺和高庫侖效率的決定因素，也是其成為鋰離子電池關鍵材料的重要因素之一。楊全紅說，相比而下，不具有層狀結構的石墨烯用作鋰電負極的產業(yè)化前景不樂觀，純石墨烯的充放電曲線與硬碳和活性炭材料非常相似，還有首次循環(huán)庫侖效率低、沒有充放電平臺及循環(huán)穩(wěn)定性差的缺點。因此，目前純的石墨烯不存在取代石墨類材料直接用作鋰離子電池負極的可能性。但石墨烯基復合材料有可能作為高性能電極材料推動鋰離子電池產業(yè)的發(fā)展。

石墨烯電池并不是石墨烯加上鋰離子電池

添加劑讓電池性能提升

5G時代來臨，人們迫切要電池能夠做到快速充放電、熱傳導快、能量密度高等性能。不可否認的是，‘添加劑’石墨烯能夠使鋰離子電池性能明顯提升，部分解決目前的產業(yè)瓶頸。楊全紅表示。

據(jù)介紹，碳導電劑關于鋰離子電池必不可少，但大量非活性、輕組分的碳導電劑會降低電池體積能量密度（單位體積儲存的能量），這成為鋰離子電池發(fā)展的重要瓶頸。楊全紅說，將石墨烯用作鋰離子電池導電劑，可以極大新增碳導電劑的單位碳原子導電效率，一改碳黑等傳統(tǒng)導電添加劑點點接觸模式為面點接觸模式，可以構建至柔至薄至密的導電網絡，大幅降低不貢獻容量的碳導電劑用量，解決碳導電劑用量與高能量需求之間的矛盾，顯著提高電池的體積能量密度和充放電性能。

此外，由于石墨烯具有良好的熱傳導性質，目前主流手機廠商將石墨烯作為散熱材料使用。作為熱量的優(yōu)良導體，石墨烯同高活性物質的有效接觸、保護，一方面可降低電解液在其表面的副反應放熱；另一方面對其充放電，特別是快速充放電出現(xiàn)的大量熱可實現(xiàn)有效的熱傳遞，降低電池工作過程中的熱隱患與熱失控，讓整個電池體系的熱循環(huán)更穩(wěn)定。

迅猛發(fā)展的電動汽車和3C電子等移動智能終端應用，要求二次電池具有盡量小的體積和盡量高的體積能量密度。納米技術使二次電池的質量能量密度和充放電速度大幅提高，但體積能量密度卻很難通過納米化技術提高。楊全紅表示，納米材料的致密化是使電極材料同時具有高的質量和體積性能的必由之路。石墨烯是碳材料的基本結構單元，近期的研究表明，基于膠體化學的石墨烯致密化技術，可以實現(xiàn)多孔碳納米材料的致密化，就像將膨化食品轉化為壓縮餅干。這種技術在鋰離子電池中最直接的應用就是，可以實現(xiàn)高性能硅碳電極的致密化，使單位體積鋰離子電池的容量大幅新增，為消除電動汽車的里程焦慮和3C電子等智能終端電池的小型化供應解決方法。這可能成為未來石墨烯在提高鋰離子電池性能方面的重要應用。