淺述石墨烯導電劑在電池領域中的應用

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)以來十幾年的時間，改變了電池行業(yè)的格局，石墨烯導電性能良好，而且強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，導電性強，而且具備較好的傳熱性能、機械性能以及獨特的結構特征，在鋰電池領域中被廣泛應用。本文主要探討石墨烯的基本特性，對目前石墨烯的研究進行介紹，探究其未來的發(fā)展及應用方向。總結了石墨烯作為導電劑，在鋰離子電池、新型鋰硫電池、鉛酸電池導中的研究進展。

[關鍵詞]石墨烯；導電劑；鋰電池

[中圖分類號]TM912 [文獻標識碼]A

1 石墨烯發(fā)展概況

由于當前社會對能源的日益需求和保護環(huán)境的重要性，電池的發(fā)展面臨新的問題與機遇，要求電池既環(huán)保又高效能，因此在電池的技術方面需要有更多突破。石墨烯自2004年被英國科學家發(fā)現(xiàn)以來，是迄今為止最好的二維尺度納米碳材料，導電性強，而且具備較好的傳熱性能、機械性能以及獨特的結構特征，在鋰電池領域中被廣泛應用。本文主要探討石墨烯的基本特性，對目前石墨烯的研究進行介紹，探究其未來的發(fā)展及應用方向。對石墨烯作為導電劑，在鋰離子電池、新型鋰硫電池、鉛酸電池導中的研究進展總結。

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)以來十幾年的時間，已經改變了電池行業(yè)的格局，石墨烯導電性能良好、而且強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。石墨烯的電子運輸性能強，超過了很多傳統(tǒng)的導體和半導體，由于電子和原子的碰撞，傳統(tǒng)的半導體和導體用熱的形式釋放了一些能量，在一般的電子產品的芯片中能量的損耗可以達到70%，石墨烯的電子能量不會被損耗，這一特點使得石墨烯具備良好的特性。

2 石墨烯導電劑的應用特性

2.1 石墨烯的電子運輸性

傳統(tǒng)的半導體和導體在電子運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，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，認為在電子運輸過程中必然會造成很大的能量損耗，但是石墨烯的能量損耗極低，改變了物理學家普遍的熱力學看法。所以，它的發(fā)現(xiàn)立即對物理學界也帶來很大的影響。雖然理論和實驗界都認為完美的二維結構無法在非絕對零度穩(wěn)定存在，但是單層石墨烯在實驗中被制備出來。這些可能歸結于石墨烯的碳原子在承受壓力時不用重新排列。

2.2 石墨烯的導電性

石墨烯的結構穩(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，碳原子面彎曲變形，使碳原子不必重新排列以適應外力，外界碳原子面破壞力不大，對因而結構穩(wěn)定。這種穩(wěn)定的晶格結構使碳原子具有優(yōu)良的導電性。當石墨烯在軌道上移動時，由于晶格缺陷或外來原子的引入，它不會散射。原子間的強相互作用下，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是運動速度極快，超過一般的導體和半導體，電子運動速度方面達到了1/300的光的速度。因為這些特性，石墨烯的電子運輸性能強，其導電性能高于其他導體和半導體。

2.3 石墨烯的機械特性

石墨烯的強度比鉆石還堅硬，是最堅硬的導體，比鋼鐵的強度還要高上上百倍。有物理學家全面研究了石墨烯的機械特性。實驗過程中，實驗把石墨烯顆粒作為研究對象，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小孔的晶體薄片上，直徑在1到1.5微米之間。之后，對石墨烯樣品進行壓力的測試，通過測試樣品能夠承受最大的壓力來驗證其堅硬程度。研究結果發(fā)現(xiàn)100納米的石墨烯可以承受2.9微牛。可以簡單的理解為，1米長的石墨烯需要用55牛頓的壓力打破。 如果物理學家能夠去除厚度相當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)科學家估計需要兩萬牛才能打破壓力。換句話說，如果一個包裝袋是用石墨烯制成的，就能承受兩噸左右的重量，可見其堅硬程度之強。

3 石墨烯導電劑在電池中的應用

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

能和倍率性能，將其應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，電池使用的正負極材料本身具有較低的離子與電子電導率，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。正負極材料本身過高的電阻值會引起電極極片的極化，這直接導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極材料導電網絡和結構，需要添加高效的電池材料導電劑，并且對電極材料導電劑的形態(tài)、性能和添加量要求較高，需要有合適的匹配關系。其中導電劑本身并不具有提供嵌脫鋰容量的特性，這導致整個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極導電性。在作為導電劑使用時，鉛酸蓄電池在高倍率放電狀態(tài)下，能夠促進硫酸溶液更容易、更快、更深地進入鉛負極活性物質，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，對石墨烯二維新材料對鉛酸蓄電池性能影響的研究正在不斷深入。

石墨烯導電劑電極復合材料能夠發(fā)揮更好的性能，傳輸速度快，電池的功率性能明顯提高，減少了電子的運輸時間。與其他的導電劑相比，只需要少量的添加量，就可以發(fā)揮電池的高性能，因此石墨烯導電劑電極復合材料的鋰電池的重量也能夠減輕，這一點對一些電子產品的應用非常重要。當前，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電性能問題。傳統(tǒng)的導電劑添加，無法達到高導電的性能。石墨烯導電劑在新能源汽車動力電池方面有著不可替代的作用，是目前高性能的導電添加劑。電子的運輸效率相比其他導電添加劑速率要快得多，能夠有效降低電池的內阻，從而提升電池的沖放電性能。而且石墨烯比較有利于產業(yè)化，制備簡單，價格相對其他導電添加劑價格低，同時隨著技術的進步，石墨烯作為導電劑應用中的各種問題已經逐步解決，具備產業(yè)化的技術要求。

4 結論

由石墨烯的性能所決定，石墨烯的必定在電池應用領域有更多的研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯結構獨特且性能良好，在已知研究結果中可以了解到石墨烯作為導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合材料中應用，因此應用的方向更為廣泛，例如石墨烯硅碳復合負極材料，石墨烯磷酸鐵鋰復合材料。總之，石墨烯在鋰電池中的應用是未來的發(fā)展趨勢。

[參考文獻]

[1] 蘇方遠，唐睿，賀艷兵，等.用于鋰離子電池的石墨烯導電劑：緣起、現(xiàn)狀及展望[J].科學通報，2017（32）.

[2] 潘登宇，周海生，劉磊，等.多層石墨烯用作超級電容器電極導電劑[J].電池，2014（03）.