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。事實上，國際鋰電學術界和產(chǎn)業(yè)界并沒有“石墨烯電池”這個提法。筆者搜索維基百科，也沒有發(fā)現(xiàn)“graphenebattery”或者“grapheneLi-ionbattery”這兩個詞條的解釋。

　　根據(jù)美國Graphene-info這個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，這個解釋顯然是誤導。根據(jù)經(jīng)典的電化學命名法，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”。

　　之所以稱為“鋰離子電池”，是因為SONY在1991年將鋰離子電池投放市場的時候，考慮到經(jīng)典命名法太過復雜一般人記不住，并且充放電過程是通過鋰離子的遷移來實現(xiàn)的，體系中并不含金屬鋰，因此就稱為“Lithiumionbattery”。最終“鋰離子電池”這個名稱被全世界廣泛接受，這也體現(xiàn)了SONY在鋰電領域的特殊貢獻。

　　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(xiàn)在鋰離子電池也有按照正極來稱呼的習慣。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，會不會叫做硅電池?也許可能吧。但不管怎么樣，誰起主要作用就用誰命名。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?為了進一步澄清“石墨烯電池”的概念問題，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：其實際性能跟普通碳涂覆鋁箔(A123聯(lián)合漢高開發(fā))并無多少提高，反倒是成本和工藝復雜程度增加不少，該技術商業(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)揮作用的領域只有兩個：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、充放電平臺過高、電位滯后嚴重以及循環(huán)穩(wěn)定性較差的缺點，這些問題其實都是高比表面無序碳材料的基本電化學特征。

　　石墨烯的振實和壓實密度都非常低，成本極其昂貴，根本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。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渡金屬化合物形成復合材料，是當前“納米鋰電”最熱門的研究領域，在過去數(shù)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緩沖這些高容量電極材料在循環(huán)過程中的體積膨脹，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性能。

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

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