| 标题 | 浅述石墨烯导电剂在电池领域中的应用 |
| 范文 | 李琰 [摘 要]石墨烯的发现是电池行业中的重大突破，自发现以来十几年的时间，改变了电池行业的格局，石墨烯导电性能良好，而且强度极高以及透光性极好，石墨烯的出现可以说是电子行业发展中的一轮革命。石墨烯是迄今为止最好的二维尺度纳米碳材料，导电性强，而且具备较好的传热性能、机械性能以及独特的结构特征，在锂电池领域中被广泛应用。本文主要探讨石墨烯的基本特性，对目前石墨烯的研究进行介绍，探究其未来的发展及应用方向。总结了石墨烯作为导电剂，在锂离子电池、新型锂硫电池、铅酸电池导中的研究进展。 [关键词]石墨烯；导电剂；锂电池 [中图分类号]TM912 [文献标识码]A 1 石墨烯发展概况 由于当前社会对能源的日益需求和保护环境的重要性，电池的发展面临新的问题与机遇，要求电池既环保又高效能，因此在电池的技术方面需要有更多突破。石墨烯自2004年被英国科学家发现以来，是迄今为止最好的二维尺度纳米碳材料，导电性强，而且具备较好的传热性能、机械性能以及独特的结构特征，在锂电池领域中被广泛应用。本文主要探讨石墨烯的基本特性，对目前石墨烯的研究进行介绍，探究其未来的发展及应用方向。对石墨烯作为导电剂，在锂离子电池、新型锂硫电池、铅酸电池导中的研究进展总结。 石墨烯的发现是电池行业中的重大突破，自被发现以来十几年的时间，已经改变了电池行业的格局，石墨烯导电性能良好、而且强度极高以及透光性极好，石墨烯的的出现可以说是电子行业发展中的一轮革命。石墨烯的电子运输性能强，超过了很多传统的导体和半导体，由于电子和原子的碰撞，传统的半导体和导体用热的形式释放了一些能量，在一般的电子产品的芯片中能量的损耗可以达到70%，石墨烯的电子能量不会被损耗，这一特点使得石墨烯具备良好的特性。 2 石墨烯导电剂的应用特性 2.1 石墨烯的电子运输性 传统的半导体和导体在电子运输过程中释放出了一些能量，这就带来了能量的损耗，这一方向一直也是科研界研究的重点，降低能量的损耗，发挥最大的能效比。在石墨烯没有被发现以前，认为在电子运输过程中必然会造成很大的能量损耗，但是石墨烯的能量损耗极低，改变了物理学家普遍的热力学看法。所以，它的发现立即对物理学界也带来很大的影响。虽然理论和实验界都认为完美的二维结构无法在非绝对零度稳定存在，但是单层石墨烯在实验中被制备出来。这些可能归结于石墨烯的碳原子在承受压力时不用重新排列。 2.2 石墨烯的导电性 石墨烯的结构稳定，通过研究发现石墨烯中各碳原子在受到外界的压力时，碳原子面弯曲变形，使碳原子不必重新排列以适应外力，外界碳原子面破坏力不大，对因而结构稳定。这种稳定的晶格结构使碳原子具有优良的导电性。当石墨烯在轨道上移动时，由于晶格缺陷或外来原子的引入，它不会散射。原子间的强相互作用下，碳原子被压缩的情况下，石墨烯中的电子受干扰性也不大。石墨烯最重要的特点是运动速度极快，超过一般的导体和半导体，电子运动速度方面达到了1/300的光的速度。因为这些特性，石墨烯的电子运输性能强，其导电性能高于其他导体和半导体。 2.3 石墨烯的机械特性 石墨烯的强度比钻石还坚硬，是最坚硬的导体，比钢铁的强度还要高上上百倍。有物理学家全面研究了石墨烯的机械特性。实验过程中，实验把石墨烯颗粒作为研究对象，选取10～20微米。研究人员首先将石墨烯样品放在表面有一个小孔的晶体薄片上，直径在1到1.5微米之间。之后，对石墨烯样品进行压力的测试，通过测试样品能够承受最大的压力来验证其坚硬程度。研究结果发现100纳米的石墨烯可以承受2.9微牛。可以简单的理解为，1米长的石墨烯需要用55牛顿的压力打破。 如果物理学家能够去除厚度相当于普通塑料食品包装袋的石磨心，需要更大的压力才能打破，根据科学家估计需要两万牛才能打破压力。换句话说，如果一个包装袋是用石墨烯制成的，就能承受两吨左右的重量，可见其坚硬程度之强。 3 石墨烯导电剂在电池中的应用 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。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、锂硫電池和铅酸中，可以大幅度提高电池的电容量和大倍率充放电性能。在目前现有的锂离子电池体系中，电池使用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。正负极材料本身过高的电阻值会引起电极极片的极化，这直接导致锂电池电极材料利用率的迅速降低和锂电池循环性能的迅速衰减。为了能够建立高效的电池正负极材料导电网络和结构，需要添加高效的电池材料导电剂，并且对电极材料导电剂的形态、性能和添加量要求较高，需要有合适的匹配关系。其中导电剂本身并不具有提供嵌脱锂容量的特性，这导致整个锂电池体系的比能量与比功率能力发生小幅的降低。 近年来，石墨烯添加到铅酸蓄电池对铅酸蓄电池的性能有很大的提高，加入少量石墨烯可以提高铅酸蓄电池的负极导电性。在作为导电剂使用时，铅酸蓄电池在高倍率放电状态下，能够促进硫酸溶液更容易、更快、更深地进入铅负极活性物质，从而增加铅酸蓄电池在高功率循环次数和放电深度条件。石墨烯的电导率主要取决于材料本身的缺陷和纯度。由于石墨烯的诸多优点，对石墨烯二维新材料对铅酸蓄电池性能影响的研究正在不断深入。 石墨烯导电剂电极复合材料能够发挥更好的性能，传输速度快，电池的功率性能明显提高，减少了电子的运输时间。与其他的导电剂相比，只需要少量的添加量，就可以发挥电池的高性能，因此石墨烯导电剂电极复合材料的锂电池的重量也能够减轻，这一点对一些电子产品的应用非常重要。当前，新能源汽车的开发研究以及未来大量投入的使用，给锂电池提出了更高的要求，需要打造高性能的电池，以保障其续航能力，其中最重要的问题就是解决正极材料的导电性能问题。传统的导电剂添加，无法达到高导电的性能。石墨烯导电剂在新能源汽车动力电池方面有着不可替代的作用，是目前高性能的导电添加剂。电子的运输效率相比其他导电添加剂速率要快得多，能够有效降低电池的内阻，从而提升电池的冲放电性能。而且石墨烯比较有利于产业化，制备简单，价格相对其他导电添加剂价格低，同时随着技术的进步，石墨烯作为导电剂应用中的各种问题已经逐步解决，具备产业化的技术要求。 4 结论 由石墨烯的性能所决定，石墨烯的必定在电池应用领域有更多的研究发现，石墨烯结构独特且性能良好，在已知研究结果中可以了解到石墨烯作为导电剂材料使用可以解决传统铅酸电池的能量密度与功率密度，使两者兼得，提高电池的性能。石墨烯还可以在电池复合材料中应用，因此应用的方向更为广泛，例如石墨烯硅碳复合负极材料，石墨烯磷酸铁锂复合材料。总之，石墨烯在锂电池中的应用是未来的发展趋势。 [参考文献] [1] 苏方远，唐睿，贺艳兵，等.用于锂离子电池的石墨烯导电剂：缘起、现状及展望[J].科学通报，2017（32）. [2] 潘登宇，周海生，刘磊，等.多层石墨烯用作超级电容器电极导电剂[J].电池，2014（03）. |
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