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什么是石墨烯导电剂?

发布者:南通雷尚化工有限公司 发布时间:2018-7-2 16:15:41 点击次数: 关闭

当今社会日益增长的能源需求与环境压力对电池提出了新的、更高的要求,对电池技术的发展来说既是机遇也是挑战。石墨烯是目前人类已知导电性能最好的二维尺度纳米碳材料,同时石墨烯还兼有良好的机械性能、最好的传热性能、独特的形貌与结构特征,其在储能电池技术领域中的应用越来越普遍。本文通过简述近年石墨烯分别作为锂离子电池的导电剂材料、新型锂硫电池导电剂材料、铅酸电池导电剂材料的最新应用进展,同时对目前研究中存在的问题进行了总结,并对未来发展方向,如开发低成本与环境友好的高质量石墨烯材料合成技术、提升材料的分散能力以有效构筑复合电极结构以及开发新的应用模式等进行了展望和总结。


  石墨烯是科学家最早发现的一种具有稳定二维结构碳的材料,是一种理想的二维碳质晶体。理想的石墨烯结构是平面六边形点阵,其基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环,它是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面状薄膜。石墨烯是碳的多种形态中的基本结构单元,单层石墨烯只有一个碳原子的厚度,即0.335nm,碳的其他存在形态为碳纳米管、石墨、富勒烯、金刚石(图1)。石墨烯是已知自然界稳定存在的最薄的材料,并且具有极大的比表面积、超高的导热率、超强的导电性和强度等优点,因此其拥有良好的应用和市场前景。
  2004年英国曼彻斯特大学的2位物理科学家-安德烈·海姆教授(Geim)和康斯坦丁·诺沃肖洛夫教授(Konstantin Novoselov),在实验室中成功从天然石墨片中第一次剥离出了具有二维结构的石墨烯,从而证明了二维材料在自然状态下可以单独存在,因这个革命性和颠覆性的发现,2位教授共同在2010年获得诺贝尔物理学奖。在此背景下,石墨烯的众多方向研究如火如荼的展开,并且迅速在全球范围里掀起了石墨烯制备、石墨烯复合技术和材料、石墨烯下游产品等的研究热潮。石墨烯材料超强的物理、化学和机械等主要特性如图2所示。
  目前石墨烯的制备方法主要分为“自下而上(down-up)”和“自上而下(up-down)”2大类方法。而“自下而上(down-up)”法是通过碳原子的重构来合成石墨烯材料,是从一种形态到另一种形态的转变,它包括化学气相沉积法(CVD)、外延生长法、有机合成法等!白陨隙拢╱p-down)”法是通过剥离天然石墨材料来制备石墨烯片层,可以分为物理法和化学法,如微波机械剥离法、物理液相剪切分离法、电弧法、氧化还原法、超临界法、碳纳米管轴向切割法等。导电剂
  基于石墨烯材料具有独特的二维结构和优异的电学、光学、机械、声学、电化学、力学、热学等性能,它是极具发展前景和潜力的电池电极材料。目前把石墨烯做为电池导电剂是石墨烯研究的一个热点方向。
二、石墨烯导电剂在电池中的应用
  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。
1.石墨烯在锂离子动力电池中的应用
  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。另外,随着锂电池技术不断发展,传统锂电池导电添加剂(乙炔黑和炭黑等)与正负极活性材料粒子点对点的接触方式已经不能满足锂电池要求,它会带来较大的热阻抗,进而给锂电池组带来很大的安全隐患。电池安全问题在锂电设计和使用过程中是不得不重点考虑的因素,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。从近几年一系列的研究中发现: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。

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