鉅大LARGE | 點擊量：3899次 | 2021年06月29日
什么是石墨烯電池？石墨烯電池真的是偽科學嗎？
隨著節能減排、政府補貼等政策和需求的推動，當前我國汽車市場正迎來新能源汽車發展的黃金時代。隨著新能源汽車的強勢刷屏，石墨烯鋰離子電池重新進入人們視線。
所謂石墨烯電池，其實并非全新的技術，近幾年一直處于研發階段。應該說其材料和工藝尚未完全成熟，我們看到的很多報道僅僅是科研報道，而非產品報道。
關于石墨烯電池，你怎么看？
石墨烯電池現在算是個偽命題，但懂得用石墨烯的確可以截長補短。
很多人不了解石墨烯，甚至認為只有單層石墨烯才能稱作石墨烯。這也就是我為何不斷地進行科普，從機理、應用到標準，用更多實踐來證明他們都太武斷的目的。但不可諱言地說，石墨烯在現階段還是個「配角」角色，不過，這個配角卻有著打通任督二脈的功效，就看你怎么設計配套的石墨烯材料了。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
在正式回答石墨烯電池的相關問題前，我們先來探討兩個情境：
第一，假如石墨烯成本降低到接近導電炭黑，但用量及功效卻更好，你會不會采用？
第二，假如在導電劑、硅碳負極、高鎳正極及隔膜都可以用石墨烯來達到更高性價比，這算不算是所謂的石墨烯電池？
坦言之，我們現在可以說是石墨烯「基」電池，畢竟摻入的量很少就可以有效。但換個角度來說，一旦鋰離子電池各個部件上都被石墨烯取代時，我們該怎么稱呼那時候的鋰離子電池呢？附帶一提的是，鋰離子電池還是會通過「鋰離子」來吸附/脫附，石墨烯是不可能取代鋰離子的角色。
志陽科技在2016年就用河南義騰新能源供應的聚丙烯基材分別摻入石墨烯/氧化石墨烯做成復材做驗證，通過驗證后在縱向/橫向抗拉強度分別提升29.6%及46.8%，而伸長率分別提升364.0%及213.0%，這個數據對隔膜廠是很大的技術突破。
另外，我們在2018年制備了石墨烯導電劑，金屬雜質低于5ppm，與習用的KS6/SP導電劑相比較，效果提高了至少40%。基本上，加入SuperP與石墨烯用料比約2:1，以目前導電劑進價每噸5萬元來計算，石墨烯導電劑的性價比已經可以完全取代炭黑導電劑了。
接著，在2018年也進行了石墨烯包覆微米硅的硅碳負極，目前在扣式電池通過100次循環下可穩定達到574mAh/g，正安排后續進行軟包循環測試，目前只剩下高鎳正極是最后一個鋰離子電池項目，而我們決定以石墨烯負載高鎳工藝作正極材料。在此同時，我們供應石墨烯薄膜給清華大學進行鋰硫電池項目，為的是布局未來的石墨烯電池科技儲備我們不會缺席。
還是那句老話，假如你認同從微觀上石墨烯是最好的材料，但在巨觀上你無法做技術突破，問題絕對不在石墨烯，而是出在你自己不懂石墨烯怎么用！
石墨烯又該怎么替鋰離子電池打通任督二脈呢？
撇開石墨烯鋰離子電池及石墨烯「基」鋰離子電池名詞上的爭議不談，在前面提到的隔膜項目，我們比較了石墨烯及氧化石墨烯，在相同滲濾閾值之機械性能以氧化石墨烯表現比較好，原因在機械性及導熱性強調「界面」，越強的鍵結力對這兩類性能有利，選擇共價鍵是最佳選擇。
反觀，導電劑卻要求高電導率及金屬雜質少于10ppm，因為金屬離子（Fe、Co、Ni、Cr等）對電池的危害很大，所以很多石墨烯業者因為制備容器會釋出鐵離子就不達標。而硅碳負極重點在石墨烯包覆納米硅，納米硅要求純度98%、1微米以內。這幾個項目都是使用不同石墨烯并通過不同官能化才能做出不錯的成果，你光想把石墨烯當作一種材料或萬靈丹，打從一開始你就錯了！
其實，更重要的是「成本」因素。幾年前先豐納米告訴我氧化石墨烯還原后每克成本要40元，這個才是無法取代現有產品的最大制約，各位想想看，你會因為是石墨烯就愿意多花幾塊錢去購買嗎？
所以，志陽一開始就決定以物理工藝制備石墨烯真的是歪打正著，不僅環保，而且因為不要冷卻及還原，所以成本很低廉。不過，還是有些創業者魚目混珠，利用溶劑插層還說自己是物理制備工藝，這件事等到下次有機會再來點評。其實，這也很好判斷，你問他們用到酸、溶劑及水嗎？這攸關環保問題，想忽悠越來越難了！
石墨烯材料怎么滿足鋰離子電池在能量密度、充電時間及循環次數的要求
一般來說，石墨烯的壓實密度及振實密度偏低，使得在能量密度上不被看好。但石墨烯擁有良好的電導、熱導性，能讓鋰離子在石墨烯表面與電極間快速穿梭運動，讓功率密度變成強項，這也是石墨烯電池大多被提到能夠做到「快充」的根據。
另外，石墨烯還有些像傳統碳材在首次循環的庫倫效率偏低、充放電平臺過高、電位滯后嚴重以及循環穩定性較差等缺點，而這些問題其實都是高比表面無序碳材料的基本電化學特點。
但這樣就真的不能做好石墨烯鋰離子電池嗎？
其實不然，在負極材料上我們選擇硅碳負極來改性，就是看到硅基負極重要有三個缺點：電子電導率及鋰離子擴散系數低大大降低了倍率性能、形成不穩定的SEI膜及硅在充放電過程之體積變化超過300%。而石墨烯穩定的骨架結構緩沖了硅晶格的膨脹，減少了鋰離子脫插過程對材料晶格的破壞，從而延長材料的循環壽命；
另一方面，網狀結構的石墨烯在復合材料中起到導電網絡的用途，極大的供應高了鋰離子在材料的遷移速率，從而提高了材料的倍率性能。另外，還有一種做法是利用石墨烯微片包覆瀝青的碳，這種結構設計不太會出現鋰枝晶結構，可有效延長電池壽命，并可達到快速充電的功能。
既然碳納米材料單獨作為負極材料存在不可逆容量高、電壓滯后等缺點，與其它負極材料復合使用是目前比較實際的選擇方法。所以，把石墨烯當作「增益」材料，而不是一昧用本征石墨烯的角度來看鋰離子電池的技術突破，或許才能打開鋰離子電池技術一條新的道路。
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