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上海矽諾國際貿(mào)易有限公司 2020-09-16 點擊2443次
石墨烯目前主要應用還是作為鋰離子電池的導電劑和輔助散熱手段。傳統(tǒng)的鋰離子電池導電劑，如炭黑SP，碳纖維VGCF等，與活性物質(zhì)的接觸是點接觸，限制了導電作用的發(fā)揮，增加了導電劑添加量。而是石墨烯是片狀結(jié)構(gòu)，與活性物質(zhì)的接觸為點-面接觸，可以最大化的發(fā)揮導電劑等作用，減少導電劑的用量，提升鋰離子電池的能量密度，但是再好的材料也存在缺點，石墨烯的片狀結(jié)構(gòu)，會對鋰離子擴散形成阻礙，在較大的工作電流密度時，會造成Li+的擴散阻抗增加，從而造成電池的倍率性能下降。今天小編就帶大家對石墨烯作為鋰離子電池導電劑的優(yōu)缺點進行分析。
天津大學的楊全紅老師是石墨烯行業(yè)的資深學者，在2012年發(fā)表于NanoEnergy的文章上，研究了石墨烯用作鋰離子電池導電劑的優(yōu)缺點。在楊老師的研究中，采用了商用10Ah的“LiFePO4/石墨”方形鋰離子電池。研究顯示，以少量（1%）的石墨烯取代鋰離子電池內(nèi)的傳統(tǒng)導電劑，不但可以提升化性物質(zhì)的比例，還能顯著的降低鋰離子電池的阻抗，但是由于石墨烯的片狀結(jié)構(gòu)，會對Li+快速擴散形成很大的阻礙，因此在大電流充放電（>3C）時，會使鋰離子電池產(chǎn)生很大的極化，影響鋰離子電池的放電容量。這一研究顯示，石墨烯作為導電劑適合應用在一些對鋰離子電池充放電倍率要求不高的場合，石墨烯的添加可以顯著的提升活性物質(zhì)的占比，降低電極阻抗，提升鋰離子電池的能量密度，但是在一些石墨烯并不適合應用在功率型電池（充放電倍率>3C）上作為導電劑。
實驗中楊全紅的團隊制作了兩種電池，一種是普通的對照組電池，使用了7%的炭黑和3%的導電石墨，實驗組則使用1%的石墨烯和1%炭黑作為導電劑。試驗結(jié)果顯示，在相同的涂布量的前提下，使用石墨烯的實驗組電池容量（0.5C充放電）要明顯高于對照組電池，并且兩者的循環(huán)性能接近，表明石墨烯能夠搭建起更為高效的導電網(wǎng)絡，從而減少導電劑的用量，提高鋰離子電池的容量（10%），降低電池的極化，提升電池的能量密度。
在隨后的倍率實驗中發(fā)現(xiàn)，在0.5C、1C和2C的充放電倍率下，實驗組的石墨烯導電劑電池相比于對照組電池都表出了更高的容量和更小的極化，但是當充放電倍率提高到3C時，實驗組電池容量迅速下降到4Ah以下，而對照組電池的容量仍然保持在9Ah左右，繼續(xù)將放電倍率提高到4C，實驗組石墨烯導電劑電池由于極化太大，已經(jīng)無法放電，而對照組電池則相對穩(wěn)定。
EIS分析顯示，添加石墨烯的實驗組電池的歐姆阻抗要明顯低于對照組電池，這主要得益于石墨烯的片狀結(jié)構(gòu)能夠于活性物質(zhì)顆粒形成很好的接觸，降低接觸電阻，但是在高頻段的電荷交換阻抗，實驗組電池要明顯高于對照組電池，這表明石墨烯的加入影響了Li+在電極內(nèi)的擴散。仿真結(jié)果顯示，主要是由于石墨烯的片狀結(jié)構(gòu)對Li+的擴散形成了阻礙，導致Li+的擴撒路徑延長，從而造成了添加石墨烯的鋰離子電池在大電流下極化增加，導致電池的放電容量下降。而傳統(tǒng)的炭黑、導電碳纖維和導電石墨等材料，由于橫截面較小，因此對Li+的擴散阻礙較小，對鋰離子電池大電流放電性能影響不大。
該研究表明，石墨烯作為導電劑雖然能夠顯著的提升電極的導電性，降低導電劑的用量，提升鋰離子電池的能量密度，但是并不是所有的鋰離子電池適合食用石墨烯作為導電劑，在一些對充放電電流需求不高的領域，例如儲能、電子設備等，工作電流較小，適合采用石墨烯取代傳統(tǒng)的導電劑。但是在一些對充放電電流要求較高的領域，例如高功率電池、動力電池等方面，由于石墨烯會造成鋰離子電池在大電流情況下，極化增加，并不適合采用石墨烯作為導電劑。