中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：鋰電池主要由正極、負(fù)極、隔膜和電解質(zhì)等組成，而決定鋰離子電池整體電化學(xué)性能的關(guān)鍵是電極材料。從鋰電池的工作原理看，電子和鋰離子共同參與到鋰離子電池充放電過程中，鋰離子電池的電極必須是離子和電子的混合導(dǎo)體。
但是，由于鋰電池正極活性材料多為過渡金屬氧化物或過渡金屬磷酸鹽，它們多為半導(dǎo)體或絕緣體，導(dǎo)電性較差，其電導(dǎo)率在10-3-10-9 S/cm 之間。同時(shí)，由于正極材料的電子傳導(dǎo)速率直接限制了Li+在固相中的遷移速率，特別是在快速充放電條件下，會(huì)引起極化電壓的升高和放電平臺(tái)的過早結(jié)束，從而導(dǎo)致循環(huán)容量的迅速衰減。
1、鋰電池導(dǎo)電劑：有效提升鋰電池正極導(dǎo)電性
鋰電池在新能源汽車的廣泛使用對(duì)鋰電池的性能提出了更高的要求，包括其導(dǎo)電性、續(xù)航能力和循環(huán)壽命等，其中為了解決正極材料導(dǎo)電性差等問題，通常是在電極活性材料中加入高電導(dǎo)性的導(dǎo)電劑。導(dǎo)電添加劑的作用就是在具體活性物質(zhì)之間、活性物質(zhì)與集流體之間收集微電流以減小電極的接觸電阻，加速電子的移動(dòng)速率。因此，在鋰離子電池電極材料中加入導(dǎo)電劑構(gòu)建導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，可以降低電池內(nèi)阻，有效提高電子的遷移速率，從而提升電極的充放電速率并保證電池良好的充放電性能。
2、石墨烯導(dǎo)電劑：性能卓越，力壓群雄
目前導(dǎo)電劑包括傳統(tǒng)導(dǎo)電劑（以炭黑為代表）、碳納米管以及石墨烯。導(dǎo)電碳黑的特點(diǎn)是粒徑小，比表面積大，在電池中它可以起到吸液保液的作用，缺點(diǎn)是價(jià)格高，難以分散。碳納米管是近年新興的導(dǎo)電劑，它一般直徑在5納米左右，長(zhǎng)度達(dá)到10-20微米，它不僅能夠在導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)“導(dǎo)線”的作用，同時(shí)它還具有雙電層效應(yīng)，發(fā)揮超級(jí)電容器的高倍率特性。相比之下，石墨烯作為一個(gè)后起的新材料，擁有比導(dǎo)電炭黑和碳納米管更卓越的性能。
石墨烯是二維片狀納米材料，理論上比表面積達(dá)到2630m2/g，微觀強(qiáng)度達(dá)到130GPa，是鋼材的100 倍，熱導(dǎo)率是金剛石的3倍，載流子遷移率是硅的10倍，電阻率是室溫下最低的材料。因此，石墨烯具有非常優(yōu)異的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，在鋰電池產(chǎn)品中的應(yīng)用極具潛力、前景廣闊。作為鋰電池導(dǎo)電劑，由于石墨烯的單原子層二維片狀結(jié)構(gòu)，可在電極材料間形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)電機(jī)制由傳統(tǒng)的點(diǎn)、線接觸轉(zhuǎn)變?yōu)槊娼佑|。
在同樣導(dǎo)電劑添加量的前提下，石墨烯的電阻率是碳納米管的十分之一，是導(dǎo)電碳黑的四十分之一，導(dǎo)電性能遠(yuǎn)好于導(dǎo)電炭黑與碳納米管。并且，石墨烯導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300W/m K，比所有材料導(dǎo)熱性都強(qiáng)，有利于電池散熱，提高電池的高低溫性能，延長(zhǎng)電池的壽命。
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除了提升鋰電池的導(dǎo)電性外，石墨烯導(dǎo)電劑維持導(dǎo)電性的前提下，由于更少的添加量，間接的提升了磷酸鐵鋰的壓實(shí)密度，從而能間接提升電池的體積能量密度；另一方面，磷酸鐵鋰導(dǎo)電性能增加，電池倍率也會(huì)得到明顯提高；添加石墨烯導(dǎo)電劑的動(dòng)力電池容量衰減程度遠(yuǎn)勝于其他類型動(dòng)力電池，電池循環(huán)壽命大幅提升。
3、石墨烯產(chǎn)業(yè)化：難點(diǎn)破解，鋰電領(lǐng)域率先實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化
一直以來，石墨烯的批量生產(chǎn)面臨成本較高、良率較低、品質(zhì)不穩(wěn)定等問題，而低成本的批量生產(chǎn)制備缺陷少、層數(shù)低的高品質(zhì)石墨烯是其產(chǎn)業(yè)化的前提；石墨烯作為納米級(jí)材料容易聚集，如何在鋰離子電池的正極材料中有效的分散石墨烯是另外一大難點(diǎn)。隨著研發(fā)技術(shù)的不斷進(jìn)步，制約石墨烯導(dǎo)電劑的產(chǎn)業(yè)化難點(diǎn)目前均已得到解決。
石墨烯主要有四種制備方法，機(jī)械剝離、SiC 熱分解法、氧化還原法和化學(xué)氣相沉淀法（CVD）。隨著石墨烯制備研發(fā)的不斷深入，四種制備方法均有廠家使用。但具體而言，采用何種方法還要由下游需求決定。作為鋰電池導(dǎo)電劑材料，產(chǎn)線面臨工業(yè)級(jí)量產(chǎn)需求，那么生產(chǎn)1 平米僅1 毫克左右的單層石墨烯的CVD 方法產(chǎn)量顯然很難在噸級(jí)需求和成本上尋求平衡。相對(duì)來說，機(jī)械剝離和SiC 熱分解法獲得的石墨烯品質(zhì)較高，但只適合實(shí)驗(yàn)室級(jí)別的小規(guī)模生產(chǎn)，氧化還原法更適合于石墨烯粉體的量產(chǎn)。
氧化還原法采用石墨為原料，通過插入含氧基團(tuán)，減弱石墨中每一單層之間的相互作用，擴(kuò)大石墨中的層間距，在攪拌或者超聲的幫助下，解離成單層的氧化石墨，形成穩(wěn)定的懸浮液；然后再利用還原的方法，得到石墨烯懸浮液或者進(jìn)一步分離干燥得到石墨烯粉體材料。其中還原方法直接決定了石墨烯的缺陷率，含氧基團(tuán)越多，缺陷越多，石墨烯的性能如導(dǎo)電性就越差?，F(xiàn)如今已優(yōu)化還原方法，還原效率大幅提升。
石墨烯用作鋰電池導(dǎo)電劑的另一大壁壘是如何有效解決石墨烯粉體的分散問題。通常的解決方式是使用分散劑來改善石墨烯粉體的團(tuán)聚現(xiàn)象，并配上NMP 溶劑以及其他輔料進(jìn)行稀釋，配成石墨烯漿料，從而有效避免石墨烯的回疊和團(tuán)聚問題。
但是，市面上多數(shù)的分散劑對(duì)于分散石墨烯不見得有效，更可能會(huì)因?yàn)榻缑孀杩苟档褪┑膶?dǎo)電性能，對(duì)于電化學(xué)裝置，特別是鋰離子電池而言，分散劑能否在不同電壓甚至是高電壓的循環(huán)操作下穩(wěn)定存在，而不會(huì)產(chǎn)生副反應(yīng)或是影響安全性的疑慮，是更重要的考量。因此，如何在既有的操作環(huán)境下解決團(tuán)聚的問題又不改變石墨烯的導(dǎo)電性，決定了石墨烯真正商品化的價(jià)值。
4、市場(chǎng)空間測(cè)算：新能源汽車增長(zhǎng)迅速，石墨烯導(dǎo)電漿料市場(chǎng)空間巨大
國(guó)家工信部宣布，中國(guó)從2010年到2020年將投入超過1000 億元的資金，用于扶持新能源汽車生產(chǎn)，使中國(guó)成為全球最大的新能源汽車生產(chǎn)國(guó)。根據(jù)國(guó)務(wù)院《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012-2020 年）》中提出到2020年，純電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力汽車生產(chǎn)能力將要達(dá)到200 萬(wàn)輛、累計(jì)產(chǎn)銷量超過500 萬(wàn)輛。目前，2016 年超過60 萬(wàn)輛與2020 年200 萬(wàn)輛的新能源車長(zhǎng)期發(fā)展目標(biāo)不變。
純電動(dòng)汽車電池將是未來五年主要?jiǎng)恿﹄姵貞?yīng)用領(lǐng)域，因此鋰動(dòng)力電池的需求將維持高速增長(zhǎng)。受動(dòng)力電池需求的火熱增長(zhǎng)，鋰電池正極材料產(chǎn)量2016年預(yù)計(jì)為6.4萬(wàn)噸，2020年增長(zhǎng)2.5倍至22.6萬(wàn)噸；負(fù)極材料2016年產(chǎn)量為3.3萬(wàn)噸，2020 年增長(zhǎng)2.5倍至11.5萬(wàn)噸。石墨烯導(dǎo)電劑在其中的用量也會(huì)迅速增長(zhǎng)。
據(jù)了解，單位正極材料需要配25%的石墨烯漿料（構(gòu)成大部分的溶劑最終被烘干，只留石墨烯等有效成分），而石墨烯漿料中有2%-4%的石墨烯粉，若按4%配比，據(jù)此可測(cè)算，目前石墨烯導(dǎo)電漿料的市場(chǎng)規(guī)模約10 億元，2020年有望達(dá)到近35 億元。
