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关于石墨烯导电剂那些你不知道的事儿

现有锂离子电池的正负极材料本身具有较低的离子与电子电导率,这是影响和限制锂电池充放电循环和倍率性能的主要因素。为此需要添加高效的电池导电剂。电池导电剂是电池正负极材料、电极互联的关键辅助材料,对电池的充放电次数、内阻、功率性能产生很大影响。

关于石墨烯导电剂那些你不知道的事儿

石墨烯是近年来研究较多的一种新型碳材料,具有优异的导电性能和倍率性能,将其应用于锂离子电池材料、锂硫电池和铅酸中,可以大幅度提高电池的电容量和大倍率充放电性能。

关于石墨烯导电剂那些你不知道的事儿

石墨烯的主要物理化学特性

石墨烯在锂离子动力电池中的应用

石墨烯因独特的二维平面结构,以及本身具有优良的物理、化学、机械、电化学等性能,可以为电极正负极活性物质颗粒提供大量的导电接触位点,并且石墨烯材料为自然界已知导电率最高的材料。相比于传统导电剂(乙炔黑与炭黑等),石墨烯作为锂电池导电添加剂能更有效地降低正负极材料颗粒间的接触阻抗并提升整体电极的导电性能,因此石墨烯成为新型导电添加剂的研究热点。

石墨烯在铅酸电池中的应用

石墨烯在铅酸蓄电池领域的应用属于深入研究及尝试应用阶段。近年来通过把石墨烯加入到铅酸电池负极,对铅酸电池性能的影响研究发现,石墨烯少量的加入能够显著提高铅酸电池负极的导电性,很好的限制硫酸铅晶体颗粒在电极表面的自生长,这有利于电极表面易溶解小颗粒硫酸铅物质的形成;在有石墨烯导电剂存在的情况下,铅酸电池在高倍率放电状态下,可以促进硫酸溶液更容易、更快速且更深地渗透到铅负极活性物质中,从而提高铅酸电池在高倍率状态下的循环次数和放电深度逐渐增多和不断深入。

有研究表明,在铅酸电池电极材料中加入石墨烯粉体或浆料能够明显地提高铅酸电池的充放电接受能力、充放电速度及次数,石墨烯导电剂可以有效地抑制负极硫酸铅晶体在电极表面的生长,进而提高铅酸电池的循环寿命和次数等,利用石墨烯制作的石墨烯膜可以代替铅酸电池中的电解液来提高电池的初始容量和效率,已经有相关研究证实了这一点。

石墨烯导电剂在锂硫电池中的应用

目前石墨烯导电剂是锂离子电池导电剂的主流方向。最早使用石墨烯材料用于锂硫电池体系中,并同时发挥石墨烯导电支撑结构作用的报道为:将硫电极材料和利用氧化还原法制备的石墨烯共同进行热化学反应处理复合,进而获得三维的石墨烯/硫复合电极材料。而后有大批的研究者利用不同的石墨烯材料与不同的硫复合,做了大量的材料合成和研究工作探索。根据研究实验使用的石墨烯材料种类和性能的不同,可简单分为物理机械剥离石墨烯/硫复合材料、氧化石墨烯/硫复合材料与经过化学还原处理的石墨烯/硫复合材料等3大类,后续随着研究深入,还会有新的材料体系涌现。

不同种类导电剂对比

导电剂的性能很大程度上取决于材料的结构和其与活性物质接触的方式。炭黑的结构性是以炭黑粒子间聚成链状或葡萄状的程度来表示的,颗粒细、网状链堆积紧密、比表面积大、单位质量颗粒多,有利于在电极中形成链式导电结构。

作为传统导电剂的代表,炭黑是目前使用最为广泛的导电剂。

碳纳米管具有特殊的一维纤维状结构,结晶度高,有着较高的导电性、导热性和机械强度,一直以来受到各国研究者的关注。目前电池工业用导电炭黑的电导率为0.2~0.5S/cm,由于碳纳米管在管壁间存在着离域大π键,因此碳纳米管的轴向导电性远远高于炭黑。

石墨烯作为一种新型的二维柔性平面炭材料,有着优良的导电性和导热性。这种结构使得石墨烯片层可以附着在活性物质颗粒上,为电极正负极活性物质颗粒提供大量的导电接触位点,使电子能够在二维空间内传导,构成一个大面积的导电网络,所以也被看作当前理想的导电剂。

石墨烯导电剂相对于传统导电剂有着极其优异的性能,可显著提升电极内部的电化学反应速度,提升高倍率充放电性能,可以明显改善锂离子电池的性能,随着新能源汽车的发展,这必将会成为今后一个非常有前景的发展方向。

参考来源:

李琰.浅述石墨烯导电剂在电池领域中的应用

刘玲玲.石墨烯在锂离子电池中的应用

李春晓.石墨烯导电剂在电池领域中的应用

刘宗哲.石墨烯导电剂的研究和展望

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