简析锂离子电池负极材料：石墨与石墨烯

石墨

图1改性天然石墨

据媒体预计，今年随着电动汽车的蓬勃发展，锂离子电池需求激增，将带动下游的石墨产业。尽管石墨的价格和销量一直不见起色，但投机者依旧看好石墨需求趋紧的前景。

石墨是碳的一种同素异形体，二者紧密相关。同素异形体是指同一元素组成的不同结构的单质。石墨是碳元素最稳定的存在形式。（金刚石是碳的一种亚稳态同素异形体，虽然它的硬度远远高于石墨，是自然界中硬度最高的物质，但它的稳定性却低于石墨。）

“石墨一词来源于希腊语“graphein，该材料耐高温，耐腐蚀，具有良好的导电性、导热性和稳定的化学性能，同时比铝要轻。除了用作锂离子电池的负极材料外，优质的石墨还可用于燃料电池、太阳能电池、半导体、发光二极管以及核反应堆等不同领域。

碳纤维是一种由碳原子键合形成的微晶材料，直径只有5-10μm，大约是人体头发丝直径的十分之一，但其强度却非常高。碳碳键像编织衣物一样沿着聚合物基体成键，碳纤维强度强于钢丝却比钢丝更轻。碳纤维材料常用于高尔夫球杆，自行车架，并有望取代铝，用于汽车和飞机的结构架，例如波音787和空客350X中都使用了大量的碳纤维材料。

目前，石墨材料仅占全球电池需求量的5%。人们有两种方式获取石墨：一是天然矿石，二是煤焦油的合成。而锂离子电池使用的石墨材料一般是由55%的合成石墨与45%低纯度的天然石墨调和制备的。

生产厂家曾经一度青睐合成石墨，因为合成石墨的均一性和纯度要优于天然石墨。现在情况却有了转变，现代化学提纯方法的应用使得经热处理可获得99.9%纯度的天然石墨，相比之下，合成石墨的纯度为99%，因而前者更受欢迎。

与合成石墨相比，经过提纯的天然片状石墨有更高的结晶度，表现出更好的导电性和导热性。此外，天然石墨有望降低锂离子电池的生产成本，同时还能获得同等甚至更优异的电池性能。现在用于锂离子电池的合成石墨的售价为每吨10，000美元，而通过天然石墨薄片加工的的球形石墨售价仅为每吨7，000美元（2015年价格），未加工处理的天然石墨还要便宜。

可以预计的是合成石墨终将被替代，未来属于更便宜更环保的天然石墨，而以天然石墨为原料合成的石墨烯，则是科学家们为我们绘制的另一番蓝图。