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, 能夠確保活性物質(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, 所以往往希望在確保活性物質(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;

(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。

         如圖1所示, 石墨烯對(duì)鋰離子傳輸?shù)奈蛔栊��?yīng)與電極厚度、石墨烯和活性材料顆粒的尺寸差異密切相關(guān). 所以在開(kāi)發(fā)使用石墨烯導(dǎo)電劑時(shí)需要綜合考慮電子和離子傳導(dǎo)的均衡性. 另一方面是在電極制備過(guò)程中石墨烯的片層分散問(wèn)題. 導(dǎo)電劑的分散一直是鋰離子電池制備中非常重要的技術(shù)環(huán)節(jié), 但是,目前對(duì)于新型的石墨烯導(dǎo)電劑真正的單層分散尚沒(méi)有特別有效的解決方法. 

       目前, 石墨烯導(dǎo)電劑已經(jīng)得到了國(guó)內(nèi)外同行及產(chǎn)業(yè)界越來(lái)越多的關(guān)注, 產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)和商業(yè)化應(yīng)用也得到了快速發(fā)展. 雖然目前關(guān)于石墨烯在儲(chǔ)能領(lǐng)域研究的綜述較多, 但是目前尚無(wú)文獻(xiàn)對(duì)石墨烯用作導(dǎo)電劑的工作進(jìn)行深入總結(jié)評(píng)述, 特別對(duì)相關(guān)的科學(xué)問(wèn)題并沒(méi)有系統(tǒng)闡述. 

     本課題組一直在積極探索并推動(dòng)石墨烯導(dǎo)電劑的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用, 結(jié)合鋰離子電池內(nèi)部真正的工作環(huán)境(如電極厚度、孔隙曲折度等), 從電子傳導(dǎo)和離子輸運(yùn)兩方面科學(xué)問(wèn)題的探究對(duì)石墨烯的作用進(jìn)行深入的探討. 本文將從石墨烯導(dǎo)電劑的導(dǎo)電機(jī)制出發(fā), 結(jié)合目前的研究現(xiàn)狀詳細(xì)討論其對(duì)鋰離子電池電化學(xué)過(guò)程的影響, 并展望石墨烯導(dǎo)電劑的實(shí)際應(yīng)用前景。