中國粉體網(wǎng)訊 自2004年Geim和他的同事發(fā)現(xiàn)單層石墨烯并在《Science》雜志上發(fā)表論文以來，石墨烯引起了廣泛的關(guān)注和研究,，因其比表面積大（2630m2 /g）,、導(dǎo)熱率高（3000W/(m·K)）、導(dǎo)電性強(qiáng)（2.5×105 cm2 /(V·s)）和強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn),，也是近年來研究較多的一種鋰離子電池導(dǎo)電劑,。石墨烯是碳的多種形態(tài)中的基本結(jié)構(gòu)單元，單層石墨烯只有一個(gè)碳原子的厚度,，即0.335nm,，因此其微觀表面不平整，呈褶皺起伏狀,。石墨烯應(yīng)用于鋰離子電池,，可對(duì)電極材料進(jìn)行改性，制備出高導(dǎo)電性的復(fù)合材料,，從而提高電池的電化學(xué)性能,，尤其是倍率性能。憑借著更加優(yōu)異的性能以及日趨成熟的制備工藝,，石墨烯逐漸有了取代傳統(tǒng)碳基導(dǎo)電劑的趨勢(shì),。
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一、石墨烯導(dǎo)電劑的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)
（1）石墨烯優(yōu)異的導(dǎo)電性,，可提高電子的遷移速率,，改善電池的倍率性能；(2)石墨烯高比表面積,，可形成電解液存儲(chǔ)孔隙,，保證電極材料在電解液中充分浸潤,，提高電池的充放電效率；(3)石墨烯的力學(xué)性能,，可改善極片的體積能量密度,，并增加極片的可彎折性、剝離強(qiáng)度,；(4)石墨烯優(yōu)異的導(dǎo)熱性,，可降低鋰離子電池的熱阻抗，提高電池的熱穩(wěn)定性,；(5)石墨烯較大的原子利用率,，可減少導(dǎo)電劑的用量，增加電極活性物質(zhì)的配比,，提高電池的能量密度,；(6)石墨烯與電極材料的“面-點(diǎn)”接觸方式，能夠有效提高導(dǎo)電效率,。綜上所述,，石墨烯導(dǎo)電劑在鋰離子電池中具有眾多的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。
二,、基于石墨烯的復(fù)合導(dǎo)電劑
使用石墨烯導(dǎo)電劑時(shí),，通常需要與維度更低的（零維或一維）具有高導(dǎo)電性的碳材料復(fù)合使用，解決顆粒表面上的“短程”導(dǎo)電問題,。通過復(fù)合不同尺度的導(dǎo)電劑可以從不同維度上構(gòu)建協(xié)同導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),，使導(dǎo)電劑能更充分地與活性物質(zhì)接觸，并為電子和鋰離子的高效傳輸提供路徑,，其效果往往優(yōu)于單一結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電劑,。近來，越來越多的研究表明采用石墨烯基復(fù)合導(dǎo)電劑是改善正極性能的更佳選擇,。
2.1石墨烯/炭黑復(fù)合導(dǎo)電劑（2D+0D）
導(dǎo)電炭黑是由納米粒子團(tuán)聚形成的鏈狀或葡萄狀結(jié)構(gòu)的碳材料，能夠與活性材料形成鏈?zhǔn)綄?dǎo)電結(jié)構(gòu),。傳統(tǒng)炭黑導(dǎo)電劑如SP,、AB等納米顆粒，具有零維結(jié)構(gòu),，可以均勻地附著在活性物質(zhì)表面,，提高活性顆粒表面的電子傳輸能力并構(gòu)筑鋰離子傳輸通道，與石墨烯之間存在著良好的互補(bǔ)效應(yīng),，可以在電極內(nèi)部同時(shí)建立“長(zhǎng)程”和“短程”導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),。
石墨烯復(fù)合導(dǎo)電炭黑可構(gòu)建以石墨烯片層為基體，以炭黑為骨架并均勻分散在石墨烯片層上或邊緣的穩(wěn)定的三維結(jié)構(gòu),，解決石墨烯堆疊和炭黑粒子團(tuán)聚的問題,，大片層與小顆粒的緊密堆積,、片狀物料與球形顆粒的協(xié)同分散，既可提供穩(wěn)定的三維孔隙結(jié)構(gòu),，又能提供一個(gè)三維的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),，有利于電解液的滲透，加速鋰離子和電子的傳導(dǎo),。
2.2石墨烯/CNT復(fù)合導(dǎo)電劑（2D+1D）
碳納米管是由石墨烯片層卷曲形成的一維的管狀碳材料,，與石墨烯在電學(xué)、力學(xué)以及熱學(xué)方面存在相似的性質(zhì),。然而,，由于碳納米管的中空管狀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致形成不同于石墨烯的各向異性,。采用石墨烯協(xié)同碳納米管構(gòu)建三維導(dǎo)電網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)：(1)石墨烯可作為碳納米管的支撐平臺(tái),，構(gòu)建電子的三維輸運(yùn)通道；(2)碳納米管插嵌到石墨烯片層中,，抑制石墨烯的堆疊及碳納米管的團(tuán)聚問題,；(3)采用碳納米管填充石墨烯空隙，可形成橋連結(jié)構(gòu),，提供更為直接與通暢的電子導(dǎo)電路徑,，同時(shí)可降低石墨烯對(duì)鋰離子的阻礙作用。
2.3多元碳基復(fù)合導(dǎo)電劑
零維,、一維和二維導(dǎo)電劑制備的復(fù)合導(dǎo)電劑各有優(yōu)勢(shì)：(1)零維導(dǎo)電劑可以均勻地附著在活性物質(zhì)表面,，提高活性物質(zhì)顆粒表面的電子輸運(yùn)，并構(gòu)筑鋰離子傳輸通道,；(2)一維導(dǎo)電劑有較大的長(zhǎng)徑比和較大的比表面積,，能夠搭接在活性材料顆粒表面上，形成電子運(yùn)輸通道,；(3)二維導(dǎo)電劑能夠提供支撐平臺(tái),，構(gòu)建完整的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)；三者復(fù)配能夠相互補(bǔ)充,，協(xié)同作用,，降低導(dǎo)電劑與活性物質(zhì)接觸不充分的概率，進(jìn)而降低成本,、提高性能,。
利用多元導(dǎo)電劑之間的協(xié)同作用，對(duì)鋰離子電池正極進(jìn)行改性,，能夠在正極顆粒表面構(gòu)建更加完整的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),，降低導(dǎo)電劑與活性物質(zhì)接觸不充分的概率，進(jìn)而降低成本,，優(yōu)化性能,。
2.4石墨烯/金屬復(fù)合導(dǎo)電劑
除了碳基導(dǎo)電劑之外,，石墨烯還可與銀等金屬導(dǎo)電劑混合使用，以提升電池的電化學(xué)性能,。Lee等設(shè)計(jì)了一種新型氧化石墨烯-銀（GO-Ag）二元導(dǎo)電劑,，以改善LFP的低電子導(dǎo)電性。其中,，GO和Ag均勻地包裹在LFP顆粒上,，降低了電極的電荷轉(zhuǎn)移電阻。優(yōu)化電極中各組分含量之后,，LFP：GO：Ag：binder（質(zhì)量比為85：8：2：5）正極表現(xiàn)出更高的放電容量,、更穩(wěn)定的循環(huán)性能，在0.5C倍率下的初始充/放電比容量分別約為155mA·h/g和150mA·h/g,，在0.1C下循環(huán)30次后容量由163mA·h/g衰減到160mA·h/g,，容量保持率為98%。
三,、石墨烯基導(dǎo)電劑應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)
3.1高性能石墨烯制備技術(shù)的研發(fā)
影響石墨烯導(dǎo)電劑性能的主要因素包括石墨烯自身的導(dǎo)電性,、片層大小與厚度、結(jié)構(gòu)缺陷等,，目前采用機(jī)械剝離法,、化學(xué)法和CVD法等制備的石墨烯各有優(yōu)勢(shì)和不足，化學(xué)法可以制備出單層或少層的石墨烯,，但表面缺陷多,、電導(dǎo)率偏低、雜質(zhì)含量偏高,；CVD法制備的石墨烯電導(dǎo)率高,、片層大小和厚度可控，但難以規(guī)�,；�,；機(jī)械球磨法制備的石墨烯電導(dǎo)率高，成本較低,，但片層大小與厚度可控性欠佳,。因此，應(yīng)繼續(xù)研發(fā)高性能導(dǎo)電石墨烯的制備技術(shù),。
3.2降低成本，減少用量
目前,，成本因素依然是制約石墨烯導(dǎo)電劑在鋰離子電池中大規(guī)模應(yīng)用的主要障礙之一,。雖然石墨烯導(dǎo)電劑的成本在不斷降低，但與傳統(tǒng)的乙炔黑和石墨相比,，石墨烯的成本依然偏高,，因此應(yīng)在提高石墨烯品質(zhì)的同時(shí),，研究低成本的制備方法，同時(shí)優(yōu)化復(fù)合導(dǎo)電劑的組成和復(fù)配技術(shù),，減小石墨烯的用量,，從多方面降低成本。
3.3復(fù)合導(dǎo)電劑的分散技術(shù)
導(dǎo)電劑在漿料中的均一,、穩(wěn)定分散是保證其使用性能的關(guān)鍵之一,。尤其是對(duì)于多元導(dǎo)電劑，只有實(shí)現(xiàn)“二維”石墨烯和“零維”炭黑,、“一維”碳納米管的均一分散,，才能構(gòu)筑起“面-點(diǎn)”、“點(diǎn)-點(diǎn)”,、“線-點(diǎn)”的多維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),。目前，市售導(dǎo)電劑漿料的穩(wěn)定分散保質(zhì)期一般僅有3～6個(gè)月,，對(duì)于電池企業(yè)來說,，如果庫存時(shí)間長(zhǎng)了就難以保證品質(zhì)。此外,，目前市售石墨烯基導(dǎo)電漿料的固含量一般在4％～6%,，如果能進(jìn)一步提高漿料的濃度將可減少溶劑的用量和運(yùn)輸?shù)某杀尽Ｒ虼�,，�?yīng)進(jìn)一步開發(fā)高濃度,、均一穩(wěn)定的復(fù)合導(dǎo)電劑的分散技術(shù)。
3.4應(yīng)根據(jù)不同的需求進(jìn)行復(fù)合導(dǎo)電劑的個(gè)性化開發(fā)
鋰離子電池不同正極材料的粒徑有很大差距,，一般來講,，LCO、NMC等材料的粒徑較大,，通常為10μm左右,，而LFP粒徑普遍較小，500～800nm居多,。由于石墨烯獨(dú)特的二維片層結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)鋰離子的傳輸有“位阻效應(yīng)”,，當(dāng)石墨烯片層尺寸小于活性物質(zhì)或與活性物質(zhì)相當(dāng)時(shí)，石墨烯導(dǎo)電劑對(duì)鋰離子的位阻效應(yīng)才可以忽略不計(jì),。電極片厚度,、壓實(shí)密度都會(huì)影響離子的傳輸路徑。因此,，應(yīng)根據(jù)正極材料的粒徑大小和電極特點(diǎn),，合理選擇石墨烯導(dǎo)電劑的片層尺寸。此外,，功率型和能量型電池對(duì)導(dǎo)電劑的要求也不盡相同,，因此應(yīng)針對(duì)正極材料和電池體系的需求,、并考慮成本因素進(jìn)行復(fù)合導(dǎo)電劑的個(gè)性化開發(fā)，實(shí)現(xiàn)鋰離子電池性能的最優(yōu)化,。
小結(jié)
隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展,，開發(fā)兼有高能量密度、高功率密度,、能快速充放電,、安全性高的鋰離子電池成為迫切的需求。石墨烯作為一種新型二維材料,，具有極高的導(dǎo)電性,、大的比表面積、良好的機(jī)械性能以及優(yōu)異的化學(xué)和熱力學(xué)穩(wěn)定性,，將其作為鋰離子電池材料的導(dǎo)電添加劑已經(jīng)表現(xiàn)出優(yōu)越的性能,，具有良好的應(yīng)用前景。采用石墨烯基復(fù)合導(dǎo)電劑代替?zhèn)鹘y(tǒng)的炭黑,、碳納米管等已成為提高鋰離子電池性能的有效途徑,，受到產(chǎn)業(yè)界的普遍認(rèn)可，其應(yīng)用也日益廣泛,，蘊(yùn)含著巨大的市場(chǎng),。
參考來源：
1、官亦標(biāo),，沈進(jìn)冉等. 石墨烯導(dǎo)電添加劑在鋰離子電池正極中的應(yīng)用
2,、文芳，楊波等. 石墨烯復(fù)合導(dǎo)電劑在鋰離子電池中的應(yīng)用研究進(jìn)展
3,、劉玲玲,，張紅梅. 石墨烯在鋰離子電池中的應(yīng)用
4、于冰,，王琦等. 石墨烯在動(dòng)力電池中的應(yīng)用探究
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/青黎）
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