分析石墨烯作为锂离子电池导电剂的优缺点

在2012年发表于Nano Energy的文章上，研究了石墨烯用作锂离子电池导电剂的优缺点。在杨老师的研究中，采用了商用10Ah的“LiFePO4/石墨”方形锂离子电池。研究显示，以少量（1%）的石墨烯取代锂离子电池内的传统导电剂，不但可以提升化性物质的比例，还能显著的降低锂离子电池的阻抗，但是由于石墨烯的片状结构，会对Li+快速扩散形成很大的阻碍，因此在大电流充放电（>3C）时，会使锂离子电池产生很大的极化，影响锂离子电池的放电容量。这一研究显示，石墨烯作为导电剂适合应用在一些对锂离子电池充放电倍率要求不高的场合，石墨烯的添加可以显著的提升活性物质的占比，降低电极阻抗，提升锂离子电池的能量密度，但是在一些石墨烯并不适合应用在功率型电池（充放电倍率>3C）上作为导电剂。

 

实验中杨全红的团队制作了两种电池，一种是普通的对照组电池，使用了7%的炭黑和3%的导电石墨，实验组则使用1%的石墨烯和1%炭黑作为导电剂。试验结果显示，在相同的涂布量的前提下，使用石墨烯的实验组电池容量（0.5C充放电）要明显高于对照组电池，并且两者的循环性能接近，表明石墨烯能够搭建起更为高效的导电网络，从而减少导电剂的用量，提高锂离子电池的容量（10%），降低电池的极化，提升电池的能量密度。

 

在随后的倍率实验中发现，在0.5C、1C和2C的充放电倍率下，实验组的石墨烯导电剂电池相比于对照组电池都表出了更高的容量和更小的极化，但是当充放电倍率提高到3C时，实验组电池容量迅速下降到4Ah以下，而对照组电池的容量仍然保持在9Ah左右，继续将放电倍率提高到4C，实验组石墨烯导电剂电池由于极化太大，已经无法放电，而对照组电池则相对稳定。

 

 

 

EIS分析显示，添加石墨烯的实验组电池的欧姆阻抗要明显低于对照组电池，这主要得益于石墨烯的片状结构能够于活性物质颗粒形成很好的接触，降低接触电阻，但是在高频段的电荷交换阻抗，实验组电池要明显高于对照组电池，这表明石墨烯的加入影响了Li+在电极内的扩散。仿真结果显示，主要是由于石墨烯的片状结构对Li+的扩散形成了阻碍，导致Li+的扩撒路径延长，从而造成了添加石墨烯的锂离子电池在大电流下极化增加，导致电池的放电容量下降。而传统的炭黑、导电碳纤维和导电石墨等材料，由于横截面较小，因此对Li+的扩散阻碍较小，对锂离子电池大电流放电性能影响不大。

 

该研究表明，石墨烯作为导电剂虽然能够显著的提升电极的导电性，降低导电剂的用量，提升锂离子电池的能量密度，但是并不是所有的锂离子电池适合食用石墨烯作为导电剂，在一些对充放电电流需求不高的领域，例如储能、电子设备等，工作电流较小，适合采用石墨烯取代传统的导电剂。