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解讀石墨烯鋰電池導(dǎo)電劑的緣起、現(xiàn)狀

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:1409次  |  2018年05月06日  

  隨著能源與環(huán)境問(wèn)題的日益突出,開(kāi)發(fā)新能源、推廣電動(dòng)汽車(chē)已經(jīng)是大勢(shì)所趨。而這些新興技術(shù)都離不開(kāi)儲(chǔ)能器件的發(fā)展.作為最為重要的儲(chǔ)能器件,鋰離子電池得到了廣大研究者和產(chǎn)業(yè)界的密切關(guān)注.各種新型鋰離子電池關(guān)鍵材料被研發(fā)出來(lái),推動(dòng)了鋰離子電池的迅猛發(fā)展.目前廣泛應(yīng)用的鋰離子電池正極材料包括鈷酸鋰(LiCoO2,LCO)、錳酸鋰(LiMn2O4,LMO)、磷酸鐵鋰(LiFePO4,LFP)和三元材料(LiNixCoyMn1xyO2,NCM)等.由于上述正極材料的電導(dǎo)率較低,需要在材料顆粒之間添加導(dǎo)電劑構(gòu)建電子導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),為電子傳輸提供快速通道.。


  鋰離子電池中電化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生需要電子和鋰離子同時(shí)到達(dá)活性物質(zhì)表面,因此電子能夠及時(shí)參與電化學(xué)反應(yīng)才能實(shí)現(xiàn)正極活性物質(zhì)性能的良好發(fā)揮.如果不使用導(dǎo)電劑,電池內(nèi)部歐姆極化增大,電池容量會(huì)顯著降低.因此,導(dǎo)電劑同樣也是鋰離子電池中的關(guān)鍵材料,能夠確?;钚晕镔|(zhì)容量的充分發(fā)揮,對(duì)于鋰離子電池性能提升具有重要作用。


  另一方面,由于導(dǎo)電劑本身在充放電過(guò)程中并不提供容量,所以往往希望在確?;钚晕镔|(zhì)容量發(fā)揮的同時(shí)盡量減少導(dǎo)電劑的使用量,以提高正極中活性物質(zhì)的比例,從而改善電池的質(zhì)量能量密度.目前所使用的導(dǎo)電劑通常是碳材料,如導(dǎo)電碳黑、導(dǎo)電石墨及碳納米管等.由于這些碳材料相對(duì)于活性物質(zhì)來(lái)說(shuō)密度較低,減少導(dǎo)電劑的使用量能夠顯著提高電池的體積能量密度。


  石墨烯是一種新型的納米碳質(zhì)材料,具有獨(dú)特的幾何結(jié)構(gòu)特征和物理性能.自2010年率先將其作為導(dǎo)電劑用于商品化鋰離子電池中以來(lái),本課題組針對(duì)石墨烯導(dǎo)電劑展開(kāi)了系統(tǒng)的研究工作.石墨烯用作導(dǎo)電劑具有“至柔至薄至密”的特點(diǎn),主要有以下4點(diǎn)優(yōu)勢(shì):


  (1)電子電導(dǎo)率高,使用很少量的石墨烯就可以有效降低電池內(nèi)部的歐姆極化;

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  (2)二維片層結(jié)構(gòu),與零維的碳黑顆粒和一維碳納米管相比,石墨烯可以和活性物質(zhì)實(shí)現(xiàn)“面-點(diǎn)”接觸,具有更低的導(dǎo)電閾值,并且可以從更大的空間跨度上在極片中構(gòu)建導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)整個(gè)電極上的“長(zhǎng)程導(dǎo)電”(不同制備方法制備得到的石墨烯材料尺寸有所區(qū)別;本課題組采用熱還原氧化石墨法,制備得到的石墨烯片層尺寸約2um);


  (3)超薄特性,石墨烯是典型的表面性固體,相較于具有多sp2碳層的碳黑、導(dǎo)電石墨和多壁碳納米管,石墨烯上所有碳原子都可以暴露出來(lái)進(jìn)行電子傳遞,原子利用效率高,故可以在最少的使用量下構(gòu)成完整的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),提高電池的能量密度;


  (4)高柔韌性,能夠與活性物質(zhì)良好接觸,緩沖充放電過(guò)程中活性物質(zhì)材料出現(xiàn)的體積膨脹收縮,抑制極片的回彈效應(yīng),保證電池良好的循環(huán)性能。


  由于上述優(yōu)勢(shì),基于石墨烯導(dǎo)電劑的鋰離子電池可實(shí)現(xiàn)致密構(gòu)建.具有“至柔至薄至密”特征的石墨烯導(dǎo)電劑展現(xiàn)了良好的應(yīng)用前景.與將石墨烯和正極材料做成復(fù)合電極材料的思路相比,直接作為鋰離子電池導(dǎo)電劑將有可能是石墨烯材料最先產(chǎn)業(yè)化的應(yīng)用.


  雖然就電子導(dǎo)電性而言,石墨烯相比于其他導(dǎo)電劑具有非常明顯的優(yōu)勢(shì),但是目前在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中仍然有不少瓶頸.一方面,在電極內(nèi)部,其平面結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)離子的傳輸產(chǎn)生位阻效應(yīng),尤其是在較大電流倍率下時(shí)該作用更加明顯。

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