石墨烯在鋰電池上的應用前景渺茫

　　當前“石墨烯電池”這一名詞很火熱。事實(shí)上，國際鋰電學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界并沒(méi)有“石墨烯電池”這個(gè)提法。筆者搜索維基百科，也沒(méi)有發(fā)現“graphenebattery”或者“grapheneLi-ionbattery”這兩個(gè)詞條的解釋。

　　根據美國Graphene-info這個(gè)比較權威的石墨烯網(wǎng)站的介紹，“石墨烯電池”的定義是在電極材料中添加了石墨烯材料的電池。在筆者看來(lái)，這個(gè)解釋顯然是誤導。根據經(jīng)典的電化學(xué)命名法，一般智能手機使用的鋰離子電池應該命名為“鈷酸鋰-石墨電池”。

　　之所以稱(chēng)為“鋰離子電池”，是因為SONY在1991年將鋰離子電池投放市場(chǎng)的時(shí)候，考慮到經(jīng)典命名法太過(guò)復雜一般人記不住，并且充放電過(guò)程是通過(guò)鋰離子的遷移來(lái)實(shí)現的，體系中并不含金屬鋰，因此就稱(chēng)為“Lithiumionbattery”。最終“鋰離子電池”這個(gè)名稱(chēng)被全世界廣泛接受，這也體現了SONY在鋰電領(lǐng)域的特殊貢獻。

　　目前，幾乎所有的商品鋰離子電池都采用石墨類(lèi)負極材料，在負極性能相似的情況下，鋰離子電池的性能很大程度上取決于正極材料，所以現在鋰離子電池也有按照正極來(lái)稱(chēng)呼的習慣。比如，磷酸鐵鋰電池(BYD所謂的“鐵電池”不在筆者討論范疇)、鈷酸鋰電池、錳酸鋰電池、三元電池等，都是針對正極而言的。

　　那么以后如果電池負極用硅材料，會(huì )不會(huì )叫做硅電池?也許可能吧。但不管怎么樣，誰(shuí)起主要作用就用誰(shuí)命名。照此推算，如果要叫石墨烯電池一定要是石墨烯起主要電化學(xué)作用的電池。就好比添加了炭黑的鈷酸鋰電池，總不能叫炭黑電池吧?為了進(jìn)一步澄清“石墨烯電池”的概念問(wèn)題，我們先總結一下石墨烯在鋰離子電池中可能(僅僅是可能性)的應用領(lǐng)域。

　　·負極：1、石墨烯單獨用于負極材料;2、與其它新型負極材料，比如硅基和錫基材料以及過(guò)渡金屬化合物形成復合材料;3、負極導電添加劑。

　　·正極：主要是用作導電劑添加到磷酸鐵鋰正極中，改善倍率和低溫性能;也有添加到磷酸錳鋰和磷酸釩鋰提高循環(huán)性能的研究。

　　·石墨烯功能涂層鋁箔：其實(shí)際性能跟普通碳涂覆鋁箔(A123聯(lián)合漢高開(kāi)發(fā))并無(wú)多少提高，反倒是成本和工藝復雜程度增加不少，該技術(shù)商業(yè)化的可能性很低。

　　從上面的分析可以很清楚地看到，石墨烯在鋰離子電池里面可能發(fā)揮作用的領(lǐng)域只有兩個(gè)：直接用于負極材料和用于導電添加劑。

　　用作鋰電負極產(chǎn)業(yè)化前景渺茫

　　我們先討論下石墨烯單獨用做鋰電負極材料的可能性。純石墨烯的充放電曲線(xiàn)跟高比表面積硬碳和活性炭材料非常相似，都具有首次循環(huán)庫侖效率極低、充放電平臺過(guò)高、電位滯后嚴重以及循環(huán)穩定性較差的缺點(diǎn)，這些問(wèn)題其實(shí)都是高比表面無(wú)序碳材料的基本電化學(xué)特征。

　　石墨烯的振實(shí)和壓實(shí)密度都非常低，成本極其昂貴，根本不存在取代石墨類(lèi)材料直接用作鋰離子電池負極的可能性。既然單獨使用石墨烯作為負極不可行，那么石墨烯復合負極材料呢?

　　石墨烯與其它新型負極材料，比如硅基和錫基材料以及過(guò)渡金屬化合物形成復合材料，是當前“納米鋰電”最熱門(mén)的研究領(lǐng)域，在過(guò)去數年發(fā)表了上千篇paper。復合的原理，一方面是利用石墨烯片層柔韌性來(lái)緩沖這些高容量電極材料在循環(huán)過(guò)程中的體積膨脹，另一方面石墨烯優(yōu)異的導電性能可以改善材料顆粒間的電接觸降低極化，這些因素都可以改善復合材料的電化學(xué)性能。

　　但是，并不是說(shuō)僅僅只有石墨烯才能達到改善效果，筆者的實(shí)踐經(jīng)驗表明，綜合運用常規的碳材料復合技術(shù)和工藝，同樣能夠取得類(lèi)似甚至更好的電化學(xué)性能。比如Si/C復合負極材料，相比于普通的干法復合工藝，復合石墨烯并沒(méi)有明顯改善材料的電化學(xué)性能，反而由于石墨烯的分散性以及相容性問(wèn)題而增加了工藝的復雜性而影響到批次穩定性。

　　如果綜合考量材料成本、生產(chǎn)工藝、加工性和電化學(xué)性能，筆者認為，石墨烯或者石墨烯復合材料實(shí)際用于鋰電負極的可能性很小產(chǎn)業(yè)化前景渺茫。