增益材料--石墨烯电池

随着节能减排、政府补贴等政策和需求的推动，当前中国汽车市场正迎来新能源汽车发展的“黄金时代”。随着新能源汽车的强势刷屏，石墨烯锂电池重新进入人们视线。

很多人不了解石墨烯，甚至认为只有单层石墨烯才能称作石墨烯。这也就是我为何不断地进行科普，从机理、应用到标准，用更多实践来证明他们都太武断的目的。但不可讳言地说，石墨烯在现阶段还是个「配角」角色，不过，这个配角却有着打通任督二脉的功效，就看你怎么设计配套的石墨烯材料了。

在正式回答石墨烯电池的相关问题前，我们先来探讨两个情境：

• 第一，如果石墨烯成本降低到接近导电炭黑，但用量及功效却更好，你会不会采用？

• 第二，如果在导电剂、硅碳负极、高镍正极及隔膜都可以用石墨烯来达到更高性价比，这算不算是所谓的石墨烯电池？

坦言之，我们现在可以说是石墨烯「基」电池，毕竟掺入的量很少就可以有效。但换个角度来说，一旦锂电池各个部件上都被石墨烯取代时，我们该怎么称呼那时候的锂电池呢？

还是那句老话，如果你认同从微观上石墨烯是最好的材料，但在巨观上你无法做技术突破，问题绝对不在石墨烯，而是出在你自己不懂石墨烯怎么用！

撇开石墨烯锂电池及石墨烯「基」锂电池名词上的争议不谈，在前面提到的隔膜项目，我们比较了石墨烯及氧化石墨烯，在相同渗滤阈值之机械性能以氧化石墨烯表现比较好，原因在机械性及导热性强调「界面」，越强的键结力对这两类性能有利，选择共价键是最佳选择。

反观，导电剂却要求高电导率及金属杂质少于10ppm，因为金属离子（Fe、Co、Ni、Cr等）对电池的危害很大，所以很多石墨烯业者因为制备容器会释出铁离子就不达标。

其实，更重要的是「成本」因素。几年前先丰纳米告诉我氧化石墨烯还原后每克成本要40元，这个才是无法取代现有产品的最大制约，各位想想看，你会因为是石墨烯就愿意多花几块钱去购买吗？

一般来说，石墨烯的压实密度及振实密度偏低，使得在能量密度上不被看好。但石墨烯拥有良好的电导、热导性，能让锂离子在石墨烯表面与电极间快速穿梭运动，让功率密度变成强项，这也是石墨烯电池大多被提到能够做到「快充」的根据。

另外，石墨烯还有些像传统碳材在首次循环的库伦效率偏低、充放电平台过高、电位滞后严重以及循环稳定性较差等缺点，而这些问题其实都是高比表面无序碳材料的基本电化学特征。

但这样就真的不能做好石墨烯锂电池吗？

其实不然，在负极材料上我们选择硅碳负极来改性，就是看到硅基负极主要有三个缺点：电子电导率及锂离子扩散系数低大大降低了倍率性能、形成不稳定的SEI膜及硅在充放电过程之体积变化超过300%。而石墨烯稳定的骨架结构缓冲了硅晶格的膨胀，减少了锂离子脱插过程对材料晶格的破坏，从而延长材料的循环寿命；

另一方面，网状结构的石墨烯在复合材料中起到导电网络的作用，极大的提供高了锂离子在材料的迁移速率，从而提高了材料的倍率性能。另外，还有一种做法是利用石墨烯微片包覆沥青的碳，这种结构设计不太会出现锂枝晶结构，可有效延长电池寿命，并可达到快速充电的功能。

既然碳纳米材料单独作为负极材料存在不可逆容量高、电压滞后等缺点，与其它负极材料复合使用是目前比较实际的选择方案。所以，把石墨烯当作「增益」材料，而不是一昧用本征石墨烯的角度来看锂电池的技术突破，或许才能打开锂电池技术一条新的道路。