石墨烯将助力锂离子电池实现颠覆性突破?

1 锂离子电池发展现状

相比于普通电池，锂离子电池具有比能量高、自放电小、使用寿命长、高低温适应性强和绿色环保等优点，是现代高性能电池的优先选择，已成为便携式电子产品和电动汽车的电源。新能源汽车（主要是电动汽车）市场持续快速扩张带动锂离子动力电池需求猛涨，截止到2017年8月31日我国新能源汽车累计产销量超过100万辆，年均增幅超过200%，仅2017年前10月新能源汽车累计销量就高达49万辆。

当前商业化的锂离子电池材料体系主要是正极钴酸锂、磷酸铁锂和负极石墨。尽管石墨的储锂容量能达到372 (mA·h)/g，允许锂离子自由的嵌入和脱嵌，形成相对稳定的固体电解质界面膜，取代了锂金属成为工业界标准负极材料，但其能量密度过低，成为限制其高端电池应用的瓶颈。目前锂离子电池比能量已达140 (W·h)/kg，虽是镍镉电池的3倍，镍氢电池的1.5倍，但仍不能完全满足当前市场对于动力电池的性能需求。我国政府在“十三五”新能源汽车试点专项的共性关键技术类研究项目“高比能量锂离子电池技术”中提出：到2020年，电池单体能量密度≥300（W· h）/kg，循环寿命≥ 1500 次，成本≤ 0.8 元/（W·h），安全性能达到国标要求。因此，在当前商业化应用锂电池材料体系基础上，如何开发出新型高性能复合电极材料是加快突破锂离子电池发展瓶颈的关键，具有重要的科学意义和应用价值。

2 石墨烯的特点及其在锂离子电池中应用潜力分析

石墨烯具有独特的单层二维结构，仅一个原子层厚，约0.34 nm，相当于头发丝直径的十五万分之一，是目前已知的厚度最薄、强度最高、结构最致密的纳米材料，同时具备透光性好（透光率97.7%）、导热系数高（5300 W/（m·K），金刚石的3倍）、电子迁移率高（1.5×104cm2/ Vs，商业硅片的10倍）、比表面积高（2630m2/g）、机械强度高 (1TPa)等性能，号称“黑金”，是“新材料之王”，科学家甚至预言石墨烯将“彻底改变21世纪”。

在锂电池领域中，石墨烯已显示出颠覆性潜质的特殊功能：一是石墨烯优良的导电和导热特性，使其具有良好的电子传输通道和循环稳定性，实现电池安全、快速充放电，且能延长使用寿命；二是石墨烯片层间距大于结晶性良好的石墨，使锂离子在石墨烯片层之间扩散通畅，利于锂离子电池功率性能的提高；三是石墨烯是单层碳原子，上下表面均可存储锂离子，且由于制备过程中引入缺陷、边缘悬挂键等，这些位置均可存储锂离子，提高存储容量，所以理论上其容量可能是石墨烯的两倍，高达744 (mA·h)/g。石墨烯在锂离子电池领域应用将使性能发生质的飞跃。

3 石墨烯在锂离子电池中的应用情况

3.1科技强国大力支持石墨烯的发展

2013年欧盟委员会选定石墨烯项目为“未来新兴技术旗舰项目”；2014年，英国在曼彻斯特大学投资6000万英镑，加速石墨烯产品产业化、市场化；同年，美国共投入2800万美元，支持石墨烯及其相关二维材料基础研究；日本以绿色低碳为着眼目标，大力支持石墨烯批量制备技术研发；2012～2018年韩国向石墨烯投入2.52亿美元，用于技术开发和商业化应用研究；2015年底中国工信部等三部委联合出台《关于加快石墨烯产业创新发展的若干意见》，将石墨烯纳入“十三五”国家战略性新兴产业发展规划重点发展对象，据报道，我国相关企业已发展了“液相低聚物法合成单原子层石墨烯”、“多相量子自耦反应技术”等的石墨烯产业化技术，实现规模化生产。

3.2 石墨烯在锂离子电池中应用的最新进展

2016年12月，华为发布5 min即可充满3000 mA·h电池48%电量的快充技术成果，该电池采用新型材料石墨烯，可实现锂离子电池与环境间的高效散热，电池上限使用温度提高10 ℃，寿命是普通锂离子电池2倍。2017年8月Fisker发布首款搭载石墨烯电池技术的电动超跑，石墨烯技术能延长续航里程、电池寿命，同时加快充电时间，新车最大速度为259 km/h，续航里程达644 km（特斯拉续航里程不到500km）。2017年11月，三星宣布开发出石墨烯电池技术，电池容量比目前市面上的电池高出45%，充电速度提升到现有标准的5倍，12 min即可充满，相关成果已发表于《自然通讯》杂志上，并在韩国和美国申请了专利。根据调研分析，当前石墨烯产业化应用的电池产品有石墨烯复合磷酸铁锂正极材料和石墨烯包覆石墨负极材料。

4 石墨烯在锂离子电池中的大规模应用难点与争议

4.1 高质量、低成本石墨烯的制备是制约石墨烯应用的难点

现有石墨烯的有效产业化制备工艺——氧化还原法，虽可大规模制备，但制得的石墨烯具有缺陷且在其基面上引入了官能团，使性能大幅下降，且层数越少，规模化生产越难，成本越高。制备出结构稳定、形貌可控的高质量石墨烯，并且降低石墨烯宏量制备的成本是制约石墨烯应用的难点。

4.2 对石墨烯在锂离子电池中大规模应用的争议

石墨烯作为一种有望替代、弥补或颠覆传统材料的先进材料，产业界仍存在不同的声音，主要集中在三个方面：一是在电化学原理上，石墨烯没有充分显露颠覆性的潜质；二是在锂离子电池中，石墨烯最快应用在锂离子电池的负极与导电剂材料，控制其成本问题和工艺兼容性，仍是当前亟待解决的关键产业问题；三是目前石墨烯应用比较成熟的领域多集中在中低端添加石墨烯类的产品，真正能够显示石墨烯特殊性能的高端应用尚在实验室中，短期内批量生产和商用还有些困难。