“石墨烯電池”存在嗎？談一談石墨烯在鋰電池上的應(yīng)用前景

 筆者認(rèn)為，不應(yīng)全盤否認(rèn)石墨烯在鋰電的應(yīng)用前景，哪怕只能提升電池性能的3%-5%，仍然值得研究。石墨烯未來(lái)有成本大幅下降的可能性，用于改善鋰離子電池的性能將具備性價(jià)比。

2015年底，工信部等三部委聯(lián)合出臺(tái)《關(guān)于加快石墨烯產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的若干意見》，新材料將納入“十三五”國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，而石墨烯正是新材料領(lǐng)域的重點(diǎn)發(fā)展對(duì)象。

與此同時(shí)，由于政策、補(bǔ)貼和資金等一系列因素的支持，以及技術(shù)進(jìn)步和成本降低突破了臨界點(diǎn)，2015年中國(guó)新能源汽車及鋰離子電池產(chǎn)業(yè)鏈迎來(lái)了爆發(fā)式增長(zhǎng)。2015年各類EV和PHEV總產(chǎn)量超過(guò)30萬(wàn)臺(tái)，帶來(lái)了超過(guò)15GWh的動(dòng)力電池需求量。

在此背景下，石墨烯作為一種充滿想象力的材料，其在鋰離子電池和新能源汽車領(lǐng)域的應(yīng)用就非常受人關(guān)注。以至于諸如《西班牙研發(fā)石墨烯電池8分鐘將電動(dòng)汽車充滿電》、《韓國(guó)研發(fā)新型石墨烯電池電動(dòng)汽車充電時(shí)間短至16秒》這種夸大其辭的新聞讓非專業(yè)人士充滿困惑。筆者下面將從石墨烯定義、生產(chǎn)方法、在鋰電池領(lǐng)域的應(yīng)用等方面為讀者理清概念，去偽存真。

1. 什么是石墨烯和石墨烯微片?

維基百科對(duì)石墨烯的定義：石墨烯(Graphene)是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個(gè)碳原子厚度的二維材料。是目前發(fā)現(xiàn)的最薄、具有最大強(qiáng)度、彈性、最強(qiáng)導(dǎo)電導(dǎo)熱性能的一種新型納米材料，幾乎完全透明。

百度百科對(duì)石墨烯微片的定義：石墨烯微片(Graphene Nanoplatelets)是指碳層數(shù)多于10層、厚度在5-100納米范圍內(nèi)的超薄的石墨烯層狀堆積體。

因此，石墨烯厚度只有一層碳原子，而石墨烯微片的碳層數(shù)多于10層。石墨烯微片不等于石墨烯，它的性能與真正意義上的石墨烯相差甚遠(yuǎn)。石墨烯是以面積來(lái)度量的，以千克乃至噸來(lái)度量產(chǎn)量的是石墨烯微片?？蒲袡C(jī)構(gòu)、生產(chǎn)企業(yè)和投資者不應(yīng)混淆這兩個(gè)概念。

2. 石墨烯如何生產(chǎn)?

石墨烯的主要生產(chǎn)方法有：機(jī)械剝離法、化學(xué)氣相沉積法(CVD)、氧化-還原法、溶劑剝離法等。

大部分中國(guó)企業(yè)采用的氧化-還原法制備石墨烯，是由天然石墨經(jīng)強(qiáng)酸氧化生成氧化石墨，經(jīng)過(guò)超聲分散制備成氧化石墨烯，然后加入還原劑后得到石墨烯。但該方法制備的石墨烯一般是多層石墨烯或者石墨微晶。

3. 石墨烯在鋰離子電池領(lǐng)域的應(yīng)用

鋰電行業(yè)對(duì)石墨烯在鋰離子電池的應(yīng)用已經(jīng)開展了許多研究，筆者根據(jù)公開文獻(xiàn)資料整理如下。

石墨烯用于鋰電正極材料：1. 石墨烯對(duì)改善磷酸鐵鋰電池倍率性能的研究;2. 與磷酸錳鋰和磷酸釩鋰復(fù)合提高循環(huán)性能的研究。

石墨烯用于鋰電負(fù)極材料：1. 石墨烯直接作為鋰離子電池負(fù)極;2. 石墨烯/SnO2復(fù)合材料作為鋰離子電池負(fù)極;石墨烯/Si復(fù)合材料作為鋰離子電池負(fù)極;石墨烯與Fe2O3、TiO2、Co3O4等復(fù)合作為鋰離子電池負(fù)極;3. 負(fù)極導(dǎo)電添加劑。

無(wú)論是石墨烯改性正極材料還是與硅基、錫基材料以及過(guò)渡金屬化合物形成復(fù)合材料方面的研究，結(jié)論表明石墨烯的加入可改善復(fù)合材料的電化學(xué)性能，但提升幅度有限。另一方面，從商用角度來(lái)看，考慮材料成本、加工工藝、批次穩(wěn)定性等因素，石墨烯大規(guī)模應(yīng)用于鋰電充滿了挑戰(zhàn)。

筆者對(duì)石墨烯在鋰離子電池的應(yīng)用提出以下觀點(diǎn)，與業(yè)界分享：

鋰離子電池之所以能夠在新能源汽車領(lǐng)域取得主導(dǎo)地位，源于過(guò)去幾十年持續(xù)改進(jìn)技術(shù)，緩慢但不斷地提高性能。每一次性能提升的幅度雖然不大，但量變積累起來(lái)引起質(zhì)變，終于實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)汽車的初步實(shí)用化。

因此，石墨烯在鋰電的應(yīng)用前景不應(yīng)全盤否認(rèn)，石墨烯(包括石墨烯微片)在鋰離子電池的應(yīng)用仍然值得研究，哪怕只能提升電池性能的3%-5%。

隨著石墨烯在其他領(lǐng)域應(yīng)用研究的繼續(xù)開展，以及制備技術(shù)的成熟，石墨烯未來(lái)有成本大幅下降的可能性。在此基礎(chǔ)上，石墨烯用于提升鋰離子電池的性能將具備性價(jià)比。

大部分類似于《西班牙研發(fā)石墨烯電池8分鐘將電動(dòng)汽車充滿電》、《韓國(guó)研發(fā)新型石墨烯電池電動(dòng)汽車充電時(shí)間短至16秒》之類的新聞，都是在實(shí)驗(yàn)室里特定的條件下實(shí)現(xiàn)的片面的性能，現(xiàn)階段不具備工業(yè)化的可能性，由于技術(shù)變革和競(jìng)爭(zhēng)，未來(lái)也很大概率不能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。

現(xiàn)有商品化的“石墨烯電池”只是在鋰離子電池的基礎(chǔ)上通過(guò)石墨烯改進(jìn)性能。“石墨烯電池”的概念是不準(zhǔn)確的，有誤導(dǎo)之嫌。