解读：石墨烯在电池中的应用真的有那么神奇吗？

石墨烯很快将再次达到高点。

包括《新材料十三五规划》在内的多项石墨烯产业扶持政策预计将在上半年出台。

这些政策的核心是推动石墨烯产业关键技术在“十三五”期间实现突破并快速实现产业化。

“十三五”期间，石墨烯产业将逐步形成电动汽车锂电池用石墨烯基电极材料、海洋工程用石墨烯基防腐涂料、柔性电子用石墨烯薄膜、石墨烯基材料等。

光电领域的高性能热界面。

材料等四大产业集群产业规模预计突破千亿元。

确实，石墨烯这几年表现非常抢眼。

如果你翻阅有关石墨烯在能源领域应用的文献和专利，那就数不胜数。

在权威的Nanotechweb网站上，石墨烯材料于2016年首次被报道。

石墨烯在Nanotechweb.org上被报道：bestof的5篇文章中的2篇。

从此，年份（2篇）、年份（4篇）、年份（1篇）、bestofyear和石墨烯都占据了这个网站的空间，而只有年份与电池有关。

一篇关于石墨烯超级电容器的报告，剩下的就是石墨烯在导电性、透明性、导线方面的应用。

石墨烯用于锂离子电池、超级电容器、锂硫电池、燃料电池和太阳能电池。

技术突破频频出现，这是不争的事实。

那么为什么目前市场上还没有实用的产品呢？按理说，石墨烯是目前世界上最薄但最硬的纳米材料。

其室温下电子迁移率超过0cm2/Vs，高于碳纳米管或硅晶体。

其电阻率仅为10E-8Ωm，比铜或银还要低，是世界上电阻率最小的材料。

应用其优异的特性应该会有所作为，对吗？ 抱歉，事情并没有那么顺利。

在回答石墨烯如何突破现状，让能源产品尽快上市之前，我这次换个思路，澄清一些关于石墨烯在能源领域应用的误解。

首先，石墨烯电池充电10分钟能跑1公里吗？ 答：目前这是不可能的。

石墨烯聚合物电池的蓄电容量无法达到市场上最好产品的三倍。

根据特斯拉使用日本松下电池0号电池计算，电池容量为3.4Ah。

电池容量需要包括各种材料的组合。

即使采用目前最好的正极材料和石墨烯，也无法实现10Ah的电容。

由于石墨烯的振实密度和压实密度很低，不适合替代石墨基材料作为锂离子电池负极。

由于单独使用石墨烯作为负极并不可行，因此至少可以开发石墨烯复合负极材料。

目前比较可靠的石墨烯负极，电容高达mAh/g（Honma，），其充放电曲线和循环寿命分析（如图1）。

此外，在石墨烯工艺中对C60和CNT进行改性形成复合材料，可以分别提高材料的电容和mAh/g。

这也证明了层间距较大的碳材料可以具有更好的储电能力。

其次，石墨烯在锂离子电池中最有可能发挥作用的领域是否只有两个领域：直接作为负极材料和作为导电添加剂？ 答：现在下结论还为时过早。

下面将告诉您当前的限制以及如何克服它们。

请记住，石墨烯有很多种。

网上说石墨烯只有单层的信息已经过时了。

不然欧盟怎么会同意这个数字呢？每种石墨烯都有适用的领域。

只要你有更多的石墨烯材料组合，就意味着你比别人有更高的成功率。

第三，石墨烯最有可能用于超级电容器的特性是什么？ 答：与传统电容器电极相比，石墨烯超级电容器具有四大特点：1、表面积大，有利于产生高能量密度； 2、超高导电率，有利于保持高功率密度； 3、化学结构丰富，有利于引入赝电容，提高能量密度； 4、特殊的电子结构可以优化结构与性能的关系。

这些特性使其成为下一代电极材料的领导者。

我仍然乐观地认为超级电容器可以取代锂离子电池，但谁知道呢？我们正在努力将超级电容器的能量密度提高到接近锂离子电池的水平。

然而，锂离子电池产业并非一朝一夕建成。

两者性能的提升都有其积极意义。

第四，石墨烯在太阳能电池中最有可能发挥作用的领域有哪些？ 答：由西班牙Jaumel大学和英国牛津大学组成的光伏与光电器件组（DFO）的研究团队最近开发出一种光伏器件，该器件采用基于石墨烯材料的太阳能电池，使太阳能电池的有效转换率得以提高达到15.6%。

该团队的研究论文已发表在《NanoLetters》杂志上。

他们将二氧化钛和石墨烯结合起来作为电荷收集器。

然后他们使用钙钛矿作为太阳能吸收器。

该团队表示，除了提高太阳能转化率之外，该设备是在低温下制造的。

通过嵌入多层材料，研究团队还可以使用基于溶液的配置技术在低于 ℃ 的温度下对其进行处理。

这不仅意味着潜在的生产成本较低，而且还意味着该技术有可能用于柔性塑料。

第五，石墨烯在燃料电池中最有可能发挥作用的领域有哪些？ 答：Rao（）研究了石墨烯（3~4层）对氢气和二氧化碳的吸附性能。

对于H2，在bar、K条件下，最高可达3.1wt%；是的，在1bar、K条件下，其吸附量为21~35wt%。

理论计算表明，如果采用单层石墨烯，其氢气吸附能力可达7.7wt%，完全可以满足美国能源部（MOE）对汽车所需氢能的要求（6wt%）。

六、中车石墨烯超级电容器真的是突破吗？ 答：根据公式1/2*C*V^2，该公司3V/0法拉超级电容器的势能等于54KJ，换算成15wh，超出目前的技术水平并不算多。

一般0号电池的容量可达mAh左右，因此能量密度约为Wh/L。

如果超级电容达不到kw/kg，就没有机会替代锂电池。

第七，是否有所谓的“石墨烯电池”？ 答：所谓的石墨烯电池并不是整个电池都是由石墨烯材料制成的，而是电池的电极部分都使用了石墨烯材料，所以称其为“石墨烯电池”并不合适。

石墨是目前锂离子电池中最常用的负极材料。

充电时，Li嵌入石墨层中形成插层化合物。

当Li完全嵌入时，每个石墨层都嵌入一层Li，对应于化合物LiC6。

理论比容量为mAh/g。

当各单层石墨无序排列时，Li可结合在单层石墨的两侧，理论比容量增加一倍，即mAh/g。

由于石墨烯缺陷、片边缘和石墨烯堆积形成的微孔结构，锂可以被储存。

因此，石墨烯电极理论上的比容量可能是石墨的两倍。

如果石墨烯与SnO2、Mn3O4、CuO等电导率相对较低的正负极纳米材料如Li4Ti5O12、TiO2、LiFePO4等复合，可以提高锂离子电池的循环性能。

中国科学院金属研究所在PNAS发表论文。

将正极材料LiFePO4和负极材料Li4Ti5O12分别与石墨烯复合，以LiFePO4-石墨烯/Li4Ti5O12-石墨烯为电极，制备出高充放电倍率的柔性锂离子电池。

石墨烯作为锂离子和电子的通道，还起到导电添加剂和集流体的作用。

八、石墨烯作为锂电池的导电添加剂和隔膜有什么实际帮助？ 答：1）导电添加剂：如果石墨烯和炭黑混合作为导电添加剂添加到锂电池中，可以有效降低电池内阻，提高电池倍率充放电性能和循环寿命，弯曲性能电池的充放电性能有影响。

没有效果。

2）隔膜：大多数商业锂电池隔膜是使用PE、PP、其他聚烯烃及其混合物或共聚物通过干法或湿法工艺制备的。

在锂电池中，隔膜吸收电解液后，可以隔离正负极，防止短路，但同时，它还必须允许锂离子的传导。

当过度充电或温度升高时，隔膜还必须具有高温自关闭性能，以阻止电流传导并防止爆炸。

不仅如此，锂电池隔膜还必须具备强度高、阻燃、耐化学试剂、耐酸碱腐蚀、生物相容性好、无毒等特点。

我们正在使用氧化石墨烯通过静电纺丝制造隔膜。

实际应用中，用作隔膜的聚合物电阻率在10E12~10E14Ωcm量级，值得一试。

第九，当石墨烯跌至每公斤80美元时，电池市场可以迅速导入应用，这样的说法是否正确？ 答：这是非常错误的。

提出这种观点的人还停留在“量产能力等于成熟应用技术”的神话中。

我们的制备成本长期低于每公斤80美元，重点是满足应用技术的定制石墨烯。

这样的公司如果只能生产一两种石墨烯，还怎么做能源行业呢？难怪自2002年以来，锂电池研发投入一直不见成效。

十、华为手机产品线副总裁李昌柱在2019移动智能终端峰会上透露，下半年有可能采用石墨烯电池技术那一年。

可行吗？ 答：很难。

如果要发布电池技术，至少已经有样品可供测试。

进一步观察一家手机厂是否会拥有创新的电池技术，要看其是投资电池厂还是购买现成的电池技术。

我接触过的大厂家普遍都有一种闭关自守的心态，就是买石墨烯自己尝试。

然而石墨烯的学问如此博大精深，不是渠道公司能够掌握的。

在这篇文章中，我们将首先讨论“锂离子电池”以及石墨烯如何应用于其他类型的能源。

只要反响好，我就会继续写下去。

在进入石墨烯应用于各类能源产品的话题之前，我们先回顾一下中国关于石墨烯锂电池的“旧闻”。

2017年推出的一款名为“开拓者α”的手机采用了中科院研发的重庆绿色智能。

中科院工学院和宁波材料技术与工程研究所研发的石墨烯触摸屏、电池、导热膜等新材料，使手机触摸屏不偏色、不泛黄，真实色彩纯正，通透性比传统屏幕更好。

，手机充电速率提升40%，电池寿命延长50%，电池能量密度也提升10%。

由此可见，虽然采用石墨烯材料的电极极大地提高了电池寿命和电池充电速度，但由于石墨烯材料本身的高比表面积等特性，与目前锂电的技术体系不兼容。

离子电池行业。

能量密度理论上并没有增加一倍，而仅仅增加了10%。

确实，目前声称石墨烯电池/电容器可以增加容量30%以上的信息可信度极低，因为没有反应机理，没有具体数据，也没有实际产品测量和分析结果。

然而，我们只看到能量密度无法翻倍的现象，断定比表面积等性能与现有技术体系“不兼容”未免太武断。

为了真正进行调查，让我们回到我在上一篇文章中提到的内容。

采用氧化还原法的石墨烯材料只有两三种，但我们已经拥有不止一种组合，包括：孔型粉末和片状粉末。

会用到什么？改善锂电池的方法有哪些？请记住，锂离子电池是“系统”解决方案，不能孤立地考虑单个组件。

在过去的六个月里，专家们提到了导致石墨烯在锂离子电池中应用困难的几个原因，包括：成本问题。

传统的导电炭黑、石墨都是按吨销售（每吨几万元）。

按克出售的石墨烯什么时候会降到这个价格？此时使用的材料是石墨微片（可能是几十层），根本不是单层或几层石墨烯。

答：石墨烯的成本确实可以达到每吨10万元以上，层数在六层以内。

我们尝试达到相同的导电率，三个渗滤阈值分别是：石墨烯：碳纳米管：炭黑，大约等于1:2:4，这说明石墨烯的性价比已经超越了导电炭黑。

事实上，能否取代导电炭黑并不是成本问题，而是石墨烯必须高于现有规格才有机会。

我在上一篇文章中已经谈到，多层石墨烯比单层石墨烯更有用，因为需要形成导电网络，我们发现六到十层效果最好。

b.过程特性不兼容。

即石墨烯的比表面积太大，会给现有锂离子电池的分散和均质化带来很多工艺问题。

答：石墨烯在不同的工艺下会有不同的比表面积。

例如，高温工艺只能得到20m2/g，但低温工艺可以得到m2/g。

不要被理论比表面积2、m2/g所迷惑。

橡树岭国家实验室和Vorbeck的研究结果发现，石墨烯对浆料工艺的性能有非常负面的影响。

这并不意味着其他公司工艺下的石墨烯会重现这种现象。

其实问题还是出在“接口”上。

专家无法否认这一点，但你可能不明白，这个界面并不是石墨烯造成的，而是可以通过石墨烯聚合物复合材料的制备工艺来解决。

C。

如果使用石墨烯作为负极，理论上可以拥有石墨负极两倍的容量（mAh/g），为什么不使用硅呢？回答：到目前为止这是正确的。

但我们认为，改进锂离子电池的首要任务不是负极材料，而是正极材料。

我们希望分别对正极、负极、隔膜和导电剂进行改进，然后从系统的角度选择最终的规格。

也许我们最终还是会选择硅，但我们一定会从硅/石墨烯复合材料的角度出发。

没办法，谁告诉我只能做石墨烯。

d.石墨烯可以作为导电剂促进快速充放电，理论上可以提高倍率性能。

如果石墨烯展开并与电极活性材料结合，则会堵塞锂离子扩散通道。

答：我说石墨烯不会单独存在，必须以复合材料的形式出现，哪怕是正极、负极、隔膜。

最近，我一直在思考锂离子吸附和解吸的原理，甚至想使用3D结构的石墨烯，包括气凝胶或泡沫，出于同样的原因。

扩散通道的解决并不困难。

接下来我们讨论一下如何利用各种类型的石墨烯来提高锂离子电池的能量密度。

首先需要说明的是，我们还在寻找后端电池模组工厂。

如果没有模块厂或者系统厂的合作开发，这个商业化工作就是徒劳的。

其次，我们确实在实验室中使用不同的石墨烯做了一些改进，有些还在考虑替代方案。

以下思路不仅对我们自己有指导意义，也对想从事石墨烯在电源领域应用的同仁有参考价值。

我们都知道，要提高锂离子电池的能量密度，有以下几种方法： 1、增加正极活性物质的比例：以锂离子作为能量载体，使锂离子能够穿过隔离膜，负极参与反应，但正极中锂离子的比例不足1%，其余都是氧化锂，所以必须增加正极活性物质的比例。

2、增加负极活性物质比例：以应对正极锂离子浓度的增加，避免发生不可逆化学反应导致能量密度衰减。

3、提高正极材料的反应活性：增加正极锂离子参与负极化学反应的比例。

然而正极活性材料的比例是有上限的，因此研究新型正极材料是提高材料反应活性的一个途径。

4、提高负极材料的反应活性：这不是主要解决方案，但会降低负极材料的质量。

负极多为石墨，可改为新型负极材料或碳纳米管，以提高反应效率。

5.减轻其他部件的重量，提高效率。

至于提高充放电倍率的方法： 1、提高正负极离子的扩散能力：正负极活性物质应尽可能薄，活性物质内部有足够且均匀的孔隙，促进离子通过。

2、提高电解液的离子电导率：加快正负极间锂离子的交换。

3、降低电池内阻。

本例中，我们从系统角度确定改进顺序为：正极→负极→隔膜→导电剂。

作为正极材料，需要大容量和优异的循环特性。

为了使电池能够快速充放电，可以采取提高活性物质的电子电导率和离子电导率、缩短传导距离的方法。

Zhou（）将石墨烯添加到LiFePO4/C复合材料中，即将磷酸铁锂正极材料放入氧化石墨烯溶液中，然后采用喷雾造粒合成微米级的二次粒子。

从微观角度观察石墨烯是均匀的。

涂覆在磷酸铁锂材料表面，电学对比结果表明，石墨烯的添加可以显着提高磷酸铁锂正极材料在循环寿命和快充能力方面的稳定性和规模化性能（如图所示）图 2）。

当前充电和放电的性能。

在负极材料方面，Chou（）将高容量纳米硅负极（40nm）与软质石墨烯以1:1的摩尔比结合在一起。

其板材的表面形貌如图3（所示），纳米硅和石墨烯均匀地混合在一起。

在循环寿命方面，硅/石墨烯复合材料的循环寿命相比纯纳米硅可显着提高。

30次循环后，仍保留mAh/g的电容性能，交流阻抗分析结果也表明，与纳米硅相比，硅/石墨烯复合材料的阻抗可降低至40Ω，也有望提高这种材料的快速充电特性。

锂电池在充电过程中，活性锂会不均匀地沉积在负极金属锂箔表面，多次循环后会形成锂枝晶。

枝晶的生长方向从（电解质/电极）界面连续延伸到正极。

锂沉积在隔膜与负极的接触区域，生长方向是沿着负极→隔膜→正极的方向，因此反应发生在负极与电解液的“界面”。

利用氧化石墨烯改善隔膜的界面粗糙度也是解决枝晶的策略之一。

正极活性物质多为过渡金属氧化物或过渡金属磷酸盐，它们是导电性较差的半导体或绝缘体。

必须添加导电剂以提高导电性能；负极石墨材料的导电性稍好，但在反复充电放电后，石墨材料的膨胀和收缩减少了石墨颗粒之间的接触，间隙增大，甚至有的与集电体分离而变得死活性材料不再参与电极反应。

因此，还需要添加导电剂来维持循环过程。

负极材料的导电性能稳定。

当导电剂作用于LiFePO4╱C材料颗粒之间时，导电效果很大程度上取决于颗粒的尺寸以及它们与活性材料接触的方式。

对此，选择石墨烯时只需考虑粒径即可。

在这里您可以看到我在四种类型的组件上使用了四个进程。

每一种工艺均参考相关文献，并有至少一种石墨烯材料可供定制。

这是我多次倡导的从应用技术衍生石墨烯材料组合的理念。

这也是像氧化还原法这样单一工艺的使用无法取得进展的主要原因。

我常说：“坐下来谈谈比采取行动更好”。

以下是我对石墨烯在能源领域应用的看法：首先，石墨烯作为一种重要的新材料，已广泛应用于智能手机、新型显示器、锂离子电池、太阳能光伏等领域。

在电子信息产业等许多重要领域具有广阔的应用前景。

目前，石墨烯材料仍处于工业化应用的早期阶段，在上述领域的大规模应用还需要做大量的工作。

二是石墨烯材料在新一代信息技术产业的规模化应用应紧密结合下游需求，重点统筹材料研发、产品设计、制备技术等方面，构建新型产业链。

生态模式，打造需求驱动、同步研发、紧密耦合的产业发展模式，将推动石墨烯材料在新一代能源技术领域的早期应用。