【干货】石墨烯在锂电池中担任什么角色？

石墨烯的性能优异毋庸置疑，但是它是否就一定适合用于锂离子电池呢？目前市面上宣称的“石墨烯电池”是一个不准确的概念，准确的讲基本上都是在材料中加入一点石墨烯，以提高锂电池的部分性能，可以称为石墨烯基锂离子电池。不排除实验室内有石墨烯作为负极材料制作锂电池或超级电容器，但是要求比较高。综上，石墨烯可以作为锂电池的调味品，但是作为主材就不太合适了。

1.石墨烯的结构和性质

物理结构：石墨烯，是由碳原子组成的单原子层平面薄膜，厚度仅为0.34纳米，单层厚度相当于头发丝直径的十五万分之一。是目前世界上已知的最轻薄、最坚硬的纳米材料，透光性好，能折叠。因为只有一层原子，电子的运动被限制在一个平面上，石墨烯也有着全新的电学属性。石墨烯比表面积约为2630m2/g，热导率为5000W/m;k。

电学特性：石墨烯具有独特的载流子特性和无质量的狄拉克费米子属性。其电子迁移率可达到2×105cm2/Vt;s，约为硅中电子迁移率的140倍，砷化镓的20倍，温度稳定性高，电导率可达108Ω/m，面电阻约为31Ω/sq（310Ω/m2），比铜或银更低，是室温下导电最好的材料。

另外，石墨烯中电子载体和空穴载流子的半整数量子霍尔效应可以通过电场作用改变化学势而被观察到，而Novoselov等在室温条件下就观察到了石墨烯的这种量子霍尔效应。

2.石墨烯在锂电池中的角色

正是由于石墨烯有以上的纳米尺寸效应、具有极大的比表面积、良好的导电性以及优秀的机械性能等特性，石墨烯被世界各地科学家广泛研究，并制造出了“石墨烯锂电池”这样的概念，石墨烯是以什么角色参与到锂电池中的呢？

1)负极材料

石墨烯由于其独特的二维结构、优异的电子传输能力以及超大的比表面积等优势极有潜力替代石墨成为新一代锂离子电池负极材料。石墨烯的储锂机制与其他碳材料相似，充电时锂离子从正极脱出经过电解质嵌入碳材料层间形成形成Li2C6，放电时锂离子脱出返回正极。由于石墨烯的特殊二维结构，当其片层间距大于0.7nm时，石墨烯的两面都可以存储锂离子，同时由于石墨烯有褶皱存在也可以进行存锂，所以理论上其容量可能是石墨的两倍，高于744mAh/g。

另外，石墨烯多为微纳米尺寸，远小于体相石墨，使得Li离子的扩散路径变短，石墨烯的层间距通常也远远大于石墨，也为锂离子的传输提供了更多的通道。因此较之石墨，以石墨烯为负极更有利于提高电池性能。从石墨烯电池的概念提出以来，很多学术研究成果表明石墨烯锂电池可逆容量可达500mAh/g以上，以及具有出色的倍率性能。实验室条件下制备的锂电负极多采用CVD法、水合肼还原、真空抽滤和冷冻干燥法等等制备石墨烯，或为片状或为空心球状，各不相同。

2)石墨烯作为导电剂

导电剂的首要作用是提高电子电导率，由于电解液是离子导电的，而电子是无法传导的，故导电剂是促进电子快速穿过活物质到达集流体。另外，导电剂也可以提高极片加工性，促进电解液对极片的浸润，降低电阻率，从而提高锂电池的使用寿命。

目前常用的导电剂有SP、乙炔黑等，传统炭黑为球状，将其与活物质混合时更易相互混合均匀，但是其接触形式为点点接触，限制了导电作用的发挥，增加了导电剂添加量。而是石墨烯是片状结构，与活性物质的接触为点-面接触，可以最大化的发挥导电剂等作用，减少导电剂的用量，从而可以多使用活性物质，提升锂电池容量。但是石墨烯的片状也是它的弊端所在，片状的石墨烯在溶剂中更难分散，更易团聚在一起，反倒需要增加石墨烯的用量。同时，其片状结构不利于锂离子的扩散，造成电芯内阻增大，电池失效加快。

理论上，石墨烯的超快导电性能够提高电池的倍率性能，但是事实是石墨烯的单片层结果阻碍了锂离子的扩散，尤其是在大倍率充放电时电池内部极化加重，电池放电容量降低。相关研究表明，在低倍率放电条件下，用石墨烯部分替代导电炭黑能够一定程度上降低导电剂用量，提高电池能量密度，过犹不及。