希望：石墨烯及其在动力锂电池中的应用

周旭峰

动力锂电池技术研究团队

 

石墨烯，新科明星材料

石墨烯是21世纪初最为重要的科学发现之一，作为世界上已知最薄和机械强度最高的物质，尽管结构看似简单，却具有显著的双极化电场效应，其电子运动速率为光速的三百分之一，而且导热性能出色，比表面积巨大，透光率高，化学性质稳定。上述特性让石墨烯在下一代晶体管、透明导电膜、高效储能、化学传感、功能复合材料等与人类生产生活息息相关的领域中的应用前景广阔，被认为是一种有可能改变世界的新材料。

 

石墨烯的产业化还要多久？

石墨烯要想获得真正的应用，亟需攻克其低成本规模化制备的难关。尽管科学家们投入了大量的努力，但目前依然未能从根本上加以解决。现有的机械剥离、化学气相沉积、外延生长以及溶液相氧化还原等诸多制备方法虽各具特色，但它们或因产率低或因结构缺陷多、导电性差等原因而难以实现高质量石墨烯低成本规模化制备。

团队摒弃了传统的氧化-剥离-还原制备路线，经过近一年的集中攻关，创新地发展了高效的插层—膨胀—剥离方法，在石墨烯低成本规模化制备技术上取得了突破性进展，成功获得了平均厚度2-3nm，尺寸在1-20μm可调，电导率超过500 S cm-1的石墨烯。相比于传统的氧化-剥离-还原方法，该创新方法不仅极大避免了对石墨烯结构的破坏，维持了高的导电性，而且实验操作大大简化，成本低廉、易于放大。团队自行设计研制了石墨烯的小规模制备实验线，目前已实现单批次公斤级的制备规模，其制备成本在500元/公斤以下。日前，团队正在建设日产百公斤石墨烯中试生产线，为团队开展石墨烯在动力锂电池中的应用研究提供了坚实的原材料保障。

 

石墨烯进入动力锂电池

碳材料在锂电池领域应用广泛，而作为碳家族的新成员，石墨烯的出现有可能在该领域带来一场新的革命。

石墨烯复合电极材料是其中的一个重要应用方向，众多研究均显示石墨烯改性对于锂电池正负极材料电化学性能带来的积极影响。一方面，石墨烯凭借其优异的导电性能可以提升电极材料的电导率，进而改善其充放电性能。另一方面，石墨烯“柔韧”的二维层状结构又可有效抑制电极材料在充放电过程中因体积变化引起的材料粉化，并增强与集流体间的导电接触。基于这一考虑，团队首先设计制备了磷酸铁锂/石墨烯复合正极材料，利用石墨烯形成的导电骨架显著提高磷酸铁锂的导电性，石墨烯改性的磷酸铁锂材料的倍率充放电性能与循环稳定性均较传统的碳包覆材料有显著提升（如下图）。目前，磷酸铁锂/石墨烯复合正极材料已进入中试阶段，企业用户对中试产品反响积极。

 

此外，团队也设计制备了一系列石墨烯复合电极材料，如石墨烯/磷酸锰锂、石墨烯/二氧化锡、石墨烯/硅等，取得了一些较有意义的结果。

用石墨烯作为锂电池的导电添加剂是石墨烯另一个颇具应用前景的发展方向。与传统的导电碳黑、导电石墨及新型碳纳米管导电剂相比，石墨烯一方面在导电性上优势明显，另一方面，它独特的二维纳米结构易与电极活性材料颗粒共混形成三维高效导电网络（如下图），为电子在电极片的快速传输提供通道。初步研究结果表明，加入石墨烯导电添加剂后，极片的面电阻较采用导电碳黑的极片低了一个数量级，电池的大电流充放电性能和循环稳定性因此得到了极大的改善。得益于团队在石墨烯低成本规模化制备技术方面的突破，可以预期石墨烯

导电添加在不久的将来广泛应用于高性能动力锂电池体系中。