钜大LARGE | 点击量：904次 | 2021年11月13日
解读三星“石墨烯”电池
最近一篇有关三星石墨烯电池文章甚嚣尘上，其实这已经不是所谓的“石墨烯”电池第一次进入人们的视野了，此前就有有关华为“石墨烯”电池的报道，只不过最后都证明，这只是借“石墨烯”的一场炒作，只是资本吸引人们眼球的策略。此次报道的三星“石墨烯”电池是否也是一场炒作，还是真正意义上的“石墨烯”电池呢？为此我们找到了报道中出现的三星“石墨烯”电池论文的原文，为大家做解读。
这篇来自三星的文章发表在著名的期刊——NatureCommuinication上，原文的题目如上图所示，该文的题目的中文翻译为《用于快速充电和高体积能量密度锂离子电池的石墨烯球》，从题目可以看到，这篇文章是有关锂离子电池材料的一篇论文。题目中提到的“石墨烯球”实际上是一种利用真空分解技术在SiOx颗粒的表面生长石墨烯而制成的小球，这种“石墨烯球”即可以涂布在高镍正极材料表面，抑制副反应发生，也可以作为负极材料单独使用。从上面的介绍可以看到，原文中提到的根本不是所谓的全新的“石墨烯”电池，而是一种采用石墨烯处理的电池材料。
虽然这不是许多媒体口中的具有颠覆意义的“石墨烯电池”，自然谈不上取代锂离子电池了，但是从介绍来看，这仍然是一种优异的锂离子电池材料，特别是在提高锂离子电池快充性能方面，更是具有非常明显的优势，因此小编就带大家一起了解一下，这样一款高性能的锂离子电池材料。
文章中的“石墨烯球”（GB）实际上是InHyukSon利用真空分解技术CVD，以CH4为碳源，在1000℃下与直径为20-30nm的SiO2发生反应，SiO2颗粒被还原成为SiOx，并且颗粒表面包覆了一层石墨烯，反应化学式如下所示。
这样一种材料，我们首先想到的就是作为负极材料，的确SiOx材料是目前最为成功的高容量负极材料，但是三星的科学家却另辟蹊径，将“石墨烯球”作为高镍正极材料的表面涂层材料，涂在NCM613上。三星这样做也有他们自己的理论：石墨烯作为一种具有良好导电性的材料，非常适合作为正极包覆材料，提高导电性，抑制副反应的发生，但是因为石墨烯片之间强烈的静电用途力使得其很容易发生团聚，从而导致石墨烯很难均匀的分散在正极材料的表面。“石墨烯球”能够很好的解决这一问题，即便是在1%的含量下也能够很好的分散在NCM613材料之中，在NCM颗粒表面形成一层保护层，提高材料的界面稳定性。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
下图是采用“石墨烯球”进行包覆处理后的NCM613和没有经过包覆处理的材料的电化学性能测试结果。从下图a和b我们可以看到，经过“石墨烯球”处理后的NCM材料，在大倍率下放电能力明显高于没有经过处理的材料，特别时在25℃时，这种差别更加明显。从图c和图d中我们也可以注意到，在4.3V、4.4V和4.5V截止电压下，经过包覆处理后的NCM材料（实心球曲线）的循环性能要明显好于对照组，特别是在60℃高温，这一现象更加明显，这重要是因为均匀的“石墨烯球”包覆层很好的抑制了界面副反应的发生，从而阻止了NCM材料从“层状结构”向“岩盐结构”衰变，提高了NCM材料的循环性能。
同时得益于“石墨烯球”良好的导电性，使得我们可以降低NCM电极中导电剂SP的用量，将活性物质的比例从92%提高到97%，这也极大的提高了NCM电极的体积比容量，从而提高了锂离子电池的体积能量密度。
除了作为NCM材料的涂层外，“石墨烯球”GB还能够单独作为一种负极材料使用，与GB-NCM（石墨烯球包覆NCM）使用，从而使锂离子电池获得快速充电的能力。作为负极材料的“石墨烯球”比容量可达716.2mAh/g（0.1C），在石墨烯良好的导电性的用途下，“石墨烯球”具有优异的倍率性能，在10C倍率下，仍然能够发挥240.6mAh/g的容量，是0.1C下容量的33.6%。“石墨烯球”不仅具有优异的倍率性能，在循环性能方面也表现优异，25℃下，5C倍率循环500次，容量保持率可达88%，60℃下，5C循环500次，容量保持率可达86.1%。在全电池中“石墨烯球”也表现出了良好的循环性能，特别是在60℃下，没有经过处理的NMC/石墨电池容量迅速衰降，但是GB-NCM／GB电池则保持了良好的循环性能（下图e）。
当然“石墨烯球”作为负极材料时还面对一个问题，那就是首次库伦效率较低，这重要是因为石墨烯较大的比表面积，导致在低电势下副反应较多，消耗了较多的Li+。为了解决这一问题，InHyukSon在使用“石墨烯球”作为负极材料时，要首先对其进行了预锂化处理，在目前负极预锂化技术还不成熟的前提下，首次效率较低也是要我们认真考虑的问题。
从上面的介绍不难看出，所谓的三星“石墨烯电池”只不过是一个炒作的噱头，其实本质上只是一种石墨烯／SiOx复合纳米颗粒——“石墨烯球”，而且这种“石墨烯球”更加适合作为一种NCM材料的表面涂层材料，提高NCM材料的界面稳定性，提高循环性能；改善NCM材料的导电性，提高NCM的倍率性能，同时得益于石墨烯材料良好的导电性，能够显著的提高电极中正极活性物质的比例，提高锂离子电池的体积能量密度。
虽然“石墨烯球”能够作为负极材料使用，并且也具有优异的倍率和循环性能，但是因为其首次效率低，必须配合补锂工艺使用，因此在现阶段补锂工艺还不成熟的前提下，“石墨烯球”是否适合作为锂离子电池负极材料还值得商榷。
因此总的来说，这个材料更应该称作是“锂离子电池新型石墨烯添加剂”比较合适，而不是有的媒体所吹捧的“石墨烯电池”。
