石墨烯导电剂在电池领域的应用有哪些？
来源：宝鄂实业
2019-06-26 12:36
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电池导电剂是电池正负极材料、电极互联的关键辅助材料，对电池的充放电次数、内阻、功率性能产生很大影响。石墨烯是近年来研究较多的一种新型碳材料，具有优异的导电性能和倍率性能，将其应用于锂离子电池材料、锂硫电池和铅酸中，可以大幅度提高电池的电容量和大倍率充放电性能。
在目前现有的锂离子电池体系中，电池使用的正负极材料本身具有的较低离子与电子电导率，这是影响和限制锂电池充放电循环和倍率性能的主要因素。正负极材料本身过高的电阻值会引起电极极片的极化，这直接导致锂电池电极材料利用率的迅速降低和锂电池循环性能的迅速衰减。
为了能够建立高效的电池正负极材料导电网络和结构，需要添加高效的电池材料导电剂，并且对电极材料导电剂的形态、性能和添加量要求较高，需要有合适的匹配关系。其中导电剂本身并不具有提供嵌脱锂容量的特性，这导致整个锂电池体系的比能量与比功率能力发生小幅的降低。
因此需要迫切的开发可以提供高效导电网络的新型电池导电添加剂材料，这种新型导电剂材料在降低所需添加量的同时，还能大幅提高正负极电极的导电能力，进而降低电池成本，并且可以改善锂电池的倍率与充放电循环性能。
锂硫（Li-S）电池具有非常高的理论储能密度，达到了2600Wh/kg，这是目前最先进的锂离子电池的5～10倍，有望大量用于未来能量存储系统和装置。
目前石墨烯导电剂是锂电池导电剂的主流方向。用不同方法制备的石墨烯材料在锂硫电池体系中用作导电支撑骨架结构时能够发挥出不同的效果。
石墨烯类材料本身具有独特的物理机械性能，还可为硫活性物质在脱嵌锂过程中产生的巨大体积变化提供丰富的三维缓冲空间，石墨烯导电剂这些特性进而有效提高锂硫电池的循环安全性,倍率性能以及循环寿命。
铅酸蓄电池是发展历史最为悠久的二次电池，是世界上第一个商业化应用的可再充电池。
目前也有大量使用和生产铅酸蓄电池。铅酸蓄电池的电极主要由铅及其氧化物材料制成，电解液为硫酸溶液。在电池放电状态下，正极材料主要成分为二氧化铅，负极材料主要成分为铅；在电池充电状态下，正负极的主要成分均为硫酸铅。
石墨烯在铅酸蓄电池领域的应用属于深入研究及尝试应用阶段，已经有大批的科研工作者和企业的研发团队介入到这一领域，已经有阶段性的成果和突破。石墨烯对铅酸电池性能的影响不可忽视，已经成为铅酸电池方向研究的新热点之一。
石墨烯因其独特结构和优异的性能，注定会成为电池领域研究和关注的热点。根据目前诸多研究结果表明，石墨烯导电剂可以应用在传统铅酸电池和锂电池中解决电池能量密度和功率密度难以兼得的问题，石墨烯导电剂未来将越来越多的应用到电池行业。石墨烯导电剂在锂离子电池中应用是一个非常有前途的方向和未来发展趋势。石墨烯因独特的二维平面结构，以及本身具有优良的物理、化学、机械、电化学等性能，可以为电极正负极活性物质颗粒提供大量的导电接触位点，并且石墨烯材料为自然界已知导电率最高的材料。相比于传统导电剂（乙炔黑与炭黑等），石墨烯作为锂电池导电添加剂能更有效地降低正负极材料颗粒间的接触阻抗并提升整体电极的导电性能，因此石墨烯成为新型导电添加剂的研究热点。
石墨烯在铅酸蓄电池领域的应用属于深入研究及尝试应用阶段。近年来通过把石墨烯加入到铅酸电池负极，对铅酸电池性能的影响研究发现，石墨烯少量的加入能够显著提高铅酸电池负极的导电性，很好的限制硫酸铅晶体颗粒在电极表面的自生长，这有利于电极表面易溶解小颗粒硫酸铅物质的形成；在有石墨烯导电剂存在的情况下，铅酸电池在高倍率放电状态下，可以促进硫酸溶液更容易、更快速且更深地渗透到铅负极活性物质中，从而提高铅酸电池在高倍率状态下的循环次数和放电深度逐渐增多和不断深入。
有研究表明，在铅酸电池电极材料中加入石墨烯粉体或浆料能够明显地提高铅酸电池的充放电接受能力、充放电速度及次数，石墨烯导电剂可以有效地抑制负极硫酸铅晶体在电极表面的生长，进而提高铅酸电池的循环寿命和次数等，利用石墨烯制作的石墨烯膜可以代替铅酸电池中的电解液来提高电池的初始容量和效率，已经有相关研究证实了这一点。
目前石墨烯导电剂是锂离子电池导电剂的主流方向。最早使用石墨烯材料用于锂硫电池体系中，并同时发挥石墨烯导电支撑结构作用的报道为：将硫电极材料和利用氧化还原法制备的石墨烯共同进行热化学反应处理复合，进而获得三维的石墨烯/硫复合电极材料。而后有大批的研究者利用不同的石墨烯材料与不同的硫复合，做了大量的材料合成和研究工作探索。根据研究实验使用的石墨烯材料种类和性能的不同，可简单分为物理机械剥离石墨烯/硫复合材料、氧化石墨烯/硫复合材料与经过化学还原处理的石墨烯/硫复合材料等3大类，后续随着研究深入，还会有新的材料体系涌现。
不同种类导电剂对比
导电剂的性能很大程度上取决于材料的结构和其与活性物质接触的方式。炭黑的结构性是以炭黑粒子间聚成链状或葡萄状的程度来表示的，颗粒细、网状链堆积紧密、比表面积大、单位质量颗粒多，有利于在电极中形成链式导电结构。
作为传统导电剂的代表，炭黑是目前使用最为广泛的导电剂。
碳纳米管具有特殊的一维纤维状结构，结晶度高，有着较高的导电性、导热性和机械强度，一直以来受到各国研究者的关注。目前电池工业用导电炭黑的电导率为0.2~0.5S/cm，由于碳纳米管在管壁间存在着离域大π键，因此碳纳米管的轴向导电性远远高于炭黑。
石墨烯作为一种新型的二维柔性平面炭材料，有着优良的导电性和导热性。这种结构使得石墨烯片层可以附着在活性物质颗粒上，为电极正负极活性物质颗粒提供大量的导电接触位点，使电子能够在二维空间内传导，构成一个大面积的导电网络，所以也被看作当前理想的导电剂。
石墨烯导电剂相对于传统导电剂有着极其优异的性能，可显著提升电极内部的电化学反应速度，提升高倍率充放电性能，可以明显改善锂离子电池的性能，随着新能源汽车的发展，这必将会成为今后一个非常有前景的发展方向。
