石墨烯电池负极材料的发展前景如何？
来源：宝鄂实业
2019-08-10 14:08
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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。
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。
目前负极材料主要以天然石墨和人造石墨为主，这两种石墨各有优劣。如果将石墨烯用作锂电负极材料的话，需要独立的上下游产业链、昂贵的价格还有复杂的工艺，这让众多负极材料厂商望而却步。
在正极复合材料中，石墨烯二维高比表面积的特殊结构及优异的电子传输能力，能有效改善正极材料的导电性能，提高锂离子的扩散传输能力。相比于传统导电添加剂，石墨烯导电剂的优势在于能用较少的添加量，达到更优异的电化学性能。此外，也有石墨烯包覆正极材料如磷酸铁锂，锰酸锂的相关报道。
负极材料方面，纯石墨烯材料由于首次循环库仑效率低、充放电平台较高以及循环稳定性较差，并不能取代目前商用的碳材料直接作为锂离子电池负极材料使用。但石墨烯可以作为一种优异的基体材料在锂电池复合电极材料中发挥更大的作用。将石墨烯与天然石墨、碳纳米管、富勒烯等碳材料复合，能利用石墨烯的特殊片层结构，改善材料的力学性能和电子传输能力。同时，掺杂后的石墨烯片层间距增大，提供更多的储锂空间。
锂电池负极材料的能量密度是影响锂电池能量密度的主要因素之一，石墨烯电池是一种由碳六元环形成的新型碳材料,具有很多优异的性能，如大比表面（约2600m2g-1）、高导热系数（约5300Wm-1K-1）、高电子导电性（电子迁移率为15000cm2V-1s-1)和良好的机械性能，被作为锂电池材料而备受关注。石墨烯直接作为锂电池负极材料时，具有非常可观的电化学性能。
石墨烯电池是近年来研究较多的一种新型材料，具有良好的导电性能和倍率性能，在锂离子电池正极材料和负极材料领域极具应用潜力。负极材料作为锂电池四大组成材料之一，在提高电池的容量以及循环性能方面起到了重要作用。近年来由于新能源汽车的快速发展，对动力锂电池需求飞速提升，全球动力电池在锂电池产量中的占比由2014年的14%快速提升到2015年的28%；而中国动力电池在锂电池产量中的占比也由2014年的19%快速提升到2015年的36%。
锂离子电池产业可以分为上游的矿产资源、中游的原材料、产品制造与组装、下游的应用三大范畴。在产业链的环节中，锂电池隔膜制造环节的毛利率是最高的。负极材料技术是最成熟的，其中石墨系负极材料仍是主流。
仍技术角度来看，未来锂离子电池负极材料将会呈现出多样性的特点。随着技术的迚步，目前的锂离子电池负极材料已经仍单一的人造石墨发展到了天然石墨、中间相碳微球、人造石墨为主，软碳/硬碳、无定形碳、钛酸锂、硅碳合金等多种负极材料共存的局面。
天然石墨负极材料技术有了较大的迚步，其可逆容量已达360mAh/g以上，在消费型锂离子电池中获得了广泛的应用。预计在未来的小型电池中，高容量电池仍将以天然石墨为主。人造石墨负极材料当前的应用非常广泛，其优点是长寽命，较低的极片反弹，而缺点是容量相对较低。目前在人造石墨的技术改迚使得人造石墨也可以发挥350mAh/g的可逆容量。将人造石墨与天然石墨复合作为锂离子电池负极材料也已被许多电池厂家所认可。软/硬碳、无定形碳、钛酸锂、金属合金、硅碳合金等新型负极材料目前已经处于试用阶段，可能在未来几年里会逐步产业化。新型的负极材料虽然有其特殊的优势，但技术仍然不成熟。
现阶段，石墨材料是负极材料的主流，未来石墨烯、钛酸锂、硅碳复合材料未来其良好发展前景。从2015年全球锂电池负极材料消费结极来看，天然石墨、人造石墨、中间相炭碳微球及钛酸锂、软碳与硬碳、非碳材料占比分别为55.0%、35.0%、7.4%、1.7%、0.8%，中国锂电池负极材料消费结极来看，天然石墨、人造石墨、中间相碳微球和钛酸锂占比分别为36%、53%、11%。
我国3C消费品领域中，手机与微型计算机占据了绝大部分市场，因此在此我们主要讨论近年来手机与微型计算机的市场情冴。在经历了2009~2010年智能手机的爆发式增长后，国内手机产量基本保持在10%以上的年均增速平稳增长；且由于2009年智能手机带动平板电脑等便携设备的发展，微型计算机产量也在经历2010年前后的爆发后回落。不过总体来说3C电子市场近几年保持了相对平稳的增长，可以预期未来继续保持低增速的发展态势。
石墨烯独特的物质结构和优异的电化学性能，使其在锂离子电池领域具有良好的应用前景，但是目前石墨烯仍然存在制备和应用等方面的技术困难，使其在锂电池领域的实际应用还有较大的距离。因此解决石墨烯自身及其在锂电池应用方面存在的技术问题将会是石墨烯与锂电池行业破局之路的先决条件。
