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上海矽諾國(guó)際貿(mào)易有限公司 2020-09-16 點(diǎn)擊2444次
石墨烯目前主要應(yīng)用還是作為鋰離子電池的導(dǎo)電劑和輔助散熱手段。傳統(tǒng)的鋰離子電池導(dǎo)電劑，如炭黑SP，碳纖維VGCF等，與活性物質(zhì)的接觸是點(diǎn)接觸，限制了導(dǎo)電作用的發(fā)揮，增加了導(dǎo)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(diǎn)-面接觸，可以最大化的發(fā)揮導(dǎo)電劑等作用，減少導(dǎo)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(diǎn)，石墨烯的片狀結(jié)構(gòu)，會(huì)對(duì)鋰離子擴(kuò)散形成阻礙，在較大的工作電流密度時(shí)，會(huì)造成Li+的擴(kuò)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(duì)石墨烯作為鋰離子電池導(dǎo)電劑的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析。
天津大學(xué)的楊全紅老師是石墨烯行業(yè)的資深學(xué)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(dǎo)電劑的優(yōu)缺點(diǎn)。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(dǎo)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(huì)對(duì)Li+快速擴(kuò)散形成很大的阻礙，因此在大電流充放電（>3C）時(shí)，會(huì)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(dǎo)電劑適合應(yīng)用在一些對(duì)鋰離子電池充放電倍率要求不高的場(chǎng)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(yīng)用在功率型電池（充放電倍率>3C）上作為導(dǎo)電劑。
實(shí)驗(yàn)中楊全紅的團(tuán)隊(duì)制作了兩種電池，一種是普通的對(duì)照組電池，使用了7%的炭黑和3%的導(dǎo)電石墨，實(shí)驗(yàn)組則使用1%的石墨烯和1%炭黑作為導(dǎo)電劑。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在相同的涂布量的前提下，使用石墨烯的實(shí)驗(yàn)組電池容量（0.5C充放電）要明顯高于對(duì)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(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，從而減少導(dǎo)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(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在0.5C、1C和2C的充放電倍率下，實(shí)驗(yàn)組的石墨烯導(dǎo)電劑電池相比于對(duì)照組電池都表出了更高的容量和更小的極化，但是當(dāng)充放電倍率提高到3C時(shí)，實(shí)驗(yàn)組電池容量迅速下降到4Ah以下，而對(duì)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(shí)驗(yàn)組石墨烯導(dǎo)電劑電池由于極化太大，已經(jīng)無(wú)法放電，而對(duì)照組電池則相對(duì)穩(wěn)定。
EIS分析顯示，添加石墨烯的實(shí)驗(yàn)組電池的歐姆阻抗要明顯低于對(duì)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(shí)驗(yàn)組電池要明顯高于對(duì)照組電池，這表明石墨烯的加入影響了Li+在電極內(nèi)的擴(kuò)散。仿真結(jié)果顯示，主要是由于石墨烯的片狀結(jié)構(gòu)對(duì)Li+的擴(kuò)散形成了阻礙，導(dǎo)致Li+的擴(kuò)撒路徑延長(zhǎng)，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(dǎo)致電池的放電容量下降。而傳統(tǒng)的炭黑、導(dǎo)電碳纖維和導(dǎo)電石墨等材料，由于橫截面較小，因此對(duì)Li+的擴(kuò)散阻礙較小，對(duì)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(dǎo)電劑雖然能夠顯著的提升電極的導(dǎo)電性，降低導(dǎo)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(dǎo)電劑，在一些對(duì)充放電電流需求不高的領(lǐng)域，例如儲(chǔ)能、電子設(shè)備等，工作電流較小，適合采用石墨烯取代傳統(tǒng)的導(dǎo)電劑。但是在一些對(duì)充放電電流要求較高的領(lǐng)域，例如高功率電池、動(dòng)力電池等方面，由于石墨烯會(huì)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(dǎo)電劑。