导电性越好的石墨越适合做导电剂，但真实情况是这样的吗？
来源：宝鄂实业
2019-05-14 14:37
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中科院金属研究所李峰研究员组分别考察了插层法、电解剥离法和改进Hummers’法制备的石墨烯的理化性质及对LiCoO2正极性能的影响，结果显示电导率最好的石墨烯不一定效果就最好，石墨烯的比表面积、表面官能团等对最终结果也有显著影响。研究成果以Choiceforgrapheneasconductiveadditiveforcathodeoflithium-ionbatteries为题发表在JournalofEnergyChemistry上。
首先，作者在实验室通过插层法(GInc)、电解剥离法(GElc)和改进Hummers’法(GHum)合成了三种石墨烯，并通过XRD、拉曼和XPS对石墨烯进行了表征。三种石墨烯中GInc尺寸最大(5-30μm)、比表面积最小(24.9m2/g)，GHum尺寸最小(3-10μm)、比表面积最大(543.9m2/g)。电导率的趋势同比表面积正好相反，GInc电导率最高而GHum电导率最低，二者直接相差了10倍多。XRD和拉曼结果显示三种石墨烯中GInc的无序度最低且表面含氧量少，GElc的无序度最高且表面含有丰富的亲水性含氧官能团。
如上所述，三种石墨烯中GInc的电导率最高而GHum的电导率最低，是否就意味着GInc作为正极导电剂的效果就会最好呢？作者分别利用该三种石墨烯制备了LiCoO2正极并对电极的表面形貌和电化学性能进行了表征。首先，从电极微观形貌上看，三种石墨烯均能很好地覆盖、包裹、连接LiCoO2颗粒，较明显的区别是GHum由于比表面积最大使得分散性相对较差，最终导致部分LiCoO2颗粒呈裸露状态。从电化学性能上对比看，无论是放电容量、倍率还是循环性能，以GElc做导电剂的LiCoO2半电池性能最优，而以GInc做导电剂的LiCoO2半电池性能最差，导电性最好的GInc的优势仅体现在阻抗上。值得一提的是导电性最差的GHum在2C时直接出现跳水的现象。以上结果表明选择石墨烯做导电剂时电导率并非唯一的考量因素，石墨烯的比表面积、有序度、表面官能团等也是非常值得考虑的参数。
不同导电剂的作用机制不同，石墨烯做导电剂同活性颗粒之间更多是面接触，而SP等颗粒导电剂同活性颗粒更多是点接触，考虑到综合效果，实际应用中往往会同时使用多种导电剂。为此，作者分别将三种石墨烯同SP联合使用并对比电极微观形貌和电化学性能上的差异。如图5所示，单独使用SP做导电剂时SP多呈聚集状态，导致部分LiCoO2颗粒裸露；而SP分别同三种石墨烯联合使用时，SP分散良好且LiCoO2颗粒都能得到很好的覆盖、连接。图6电化学性能结果显示SP的加入提高了GInc和GHum单独作为导电剂时的倍率性能，而GElc和SP联用的倍率性能反而较GElc单独使用略有降低。从循环结果看，三种石墨烯和SP联用作为导电剂时电池的循环性能均优于单独使用SP，且GElc和SP联用循环性能最好。
加工性也是选择电池导电剂时需要考量的重要参数。三种石墨烯浆料都类似弹性凝胶，随着剪切速率的增大剪切粘度逐步降低。其中比表面积最大的GHum粘度也最大，这也意味着以GHum为导电剂时需要使用更多的溶剂，因此GHum并不是导电剂的最佳选择。LiCoO2同三种石墨烯混合浆料的流变特性同单独石墨烯的流变特性相似。综合以上结果不难看出，三种石墨烯中GInc和GElc较适合作为导电剂，其中GElc做导电剂的效果是最好的。
小结：电极结构式复合的三维结构，导电剂在其中不仅要起到导电的作用，还需要合理的分散，只有分散好了才能充分发生导电的作用。而分散更多同导电剂比表面积、表面官能团等有关，因此电导率之外的的其他参数也许引起重视。但有一点是明确的：如果导电剂本征电导率就十分差劲，其他参数再好估计也不行。
首先，作者在实验室通过插层法(GInc)、电解剥离法(GElc)和改进Hummers’法(GHum)合成了三种石墨烯，并通过XRD、拉曼和XPS对石墨烯进行了表征。三种石墨烯中GInc尺寸最大(5-30μm)、比表面积最小(24.9m2/g)，GHum尺寸最小(3-10μm)、比表面积最大(543.9m2/g)。电导率的趋势同比表面积正好相反，GInc电导率最高而GHum电导率最低，二者直接相差了10倍多。XRD和拉曼结果显示三种石墨烯中GInc的无序度最低且表面含氧量少，GElc的无序度最高且表面含有丰富的亲水性含氧官能团。
如上所述，三种石墨烯中GInc的电导率最高而GHum的电导率最低，是否就意味着GInc作为正极导电剂的效果就会最好呢？作者分别利用该三种石墨烯制备了LiCoO2正极并对电极的表面形貌和电化学性能进行了表征。首先，从电极微观形貌上看，三种石墨烯均能很好地覆盖、包裹、连接LiCoO2颗粒，较明显的区别是GHum由于比表面积最大使得分散性相对较差，最终导致部分LiCoO2颗粒呈裸露状态。从电化学性能上对比看，无论是放电容量、倍率还是循环性能，以GElc做导电剂的LiCoO2半电池性能最优，而以GInc做导电剂的LiCoO2半电池性能最差，导电性最好的GInc的优势仅体现在阻抗上。值得一提的是导电性最差的GHum在2C时直接出现跳水的现象。以上结果表明选择石墨烯做导电剂时电导率并非唯一的考量因素，石墨烯的比表面积、有序度、表面官能团等也是非常值得考虑的参数。
不同导电剂的作用机制不同，石墨烯做导电剂同活性颗粒之间更多是面接触，而SP等颗粒导电剂同活性颗粒更多是点接触，考虑到综合效果，实际应用中往往会同时使用多种导电剂。为此，作者分别将三种石墨烯同SP联合使用并对比电极微观形貌和电化学性能上的差异。如图5所示，单独使用SP做导电剂时SP多呈聚集状态，导致部分LiCoO2颗粒裸露；而SP分别同三种石墨烯联合使用时，SP分散良好且LiCoO2颗粒都能得到很好的覆盖、连接。图6电化学性能结果显示SP的加入提高了GInc和GHum单独作为导电剂时的倍率性能，而GElc和SP联用的倍率性能反而较GElc单独使用略有降低。从循环结果看，三种石墨烯和SP联用作为导电剂时电池的循环性能均优于单独使用SP，且GElc和SP联用循环性能最好。
加工性也是选择电池导电剂时需要考量的重要参数。三种石墨烯浆料都类似弹性凝胶，随着剪切速率的增大剪切粘度逐步降低。其中比表面积最大的GHum粘度也最大，这也意味着以GHum为导电剂时需要使用更多的溶剂，因此GHum并不是导电剂的最佳选择。LiCoO2同三种石墨烯混合浆料的流变特性同单独石墨烯的流变特性相似。综合以上结果不难看出，三种石墨烯中GInc和GElc较适合作为导电剂，其中GElc做导电剂的效果是最好的。
小结：电极结构式复合的三维结构，导电剂在其中不仅要起到导电的作用，还需要合理的分散，只有分散好了才能充分发生导电的作用。而分散更多同导电剂比表面积、表面官能团等有关，因此电导率之外的的其他参数也许引起重视。但有一点是明确的：如果导电剂本征电导率就十分差劲，其他参数再好估计也不行。
