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關于石墨烯導電劑那些你不知道的事兒

現有鋰離子電池的正負極材料本身具有較低的離子與電子電導率,這是影響和限制鋰電池充放電循環和倍率性能的主要因素。為此需要添加高效的電池導電劑。電池導電劑是電池正負極材料、電極互聯的關鍵輔助材料,對電池的充放電次數、內阻、功率性能產生很大影響。

關于石墨烯導電劑那些你不知道的事兒

石墨烯是近年來研究較多的一種新型碳材料,具有優異的導電性能和倍率性能,將其應用于鋰離子電池材料、鋰硫電池和鉛酸中,可以大幅度提高電池的電容量和大倍率充放電性能。

關于石墨烯導電劑那些你不知道的事兒

石墨烯的主要物理化學特性

石墨烯在鋰離子動力電池中的應用

石墨烯因獨特的二維平面結構,以及本身具有優良的物理、化學、機械、電化學等性能,可以為電極正負極活性物質顆粒提供大量的導電接觸位點,并且石墨烯材料為自然界已知導電率最高的材料。相比于傳統導電劑(乙炔黑與炭黑等),石墨烯作為鋰電池導電添加劑能更有效地降低正負極材料顆粒間的接觸阻抗并提升整體電極的導電性能,因此石墨烯成為新型導電添加劑的研究熱點。

石墨烯在鉛酸電池中的應用

石墨烯在鉛酸蓄電池領域的應用屬于深入研究及嘗試應用階段。近年來通過把石墨烯加入到鉛酸電池負極,對鉛酸電池性能的影響研究發現,石墨烯少量的加入能夠顯著提高鉛酸電池負極的導電性,很好的限制硫酸鉛晶體顆粒在電極表面的自生長,這有利于電極表面易溶解小顆粒硫酸鉛物質的形成;在有石墨烯導電劑存在的情況下,鉛酸電池在高倍率放電狀態下,可以促進硫酸溶液更容易、更快速且更深地滲透到鉛負極活性物質中,從而提高鉛酸電池在高倍率狀態下的循環次數和放電深度逐漸增多和不斷深入。

有研究表明,在鉛酸電池電極材料中加入石墨烯粉體或漿料能夠明顯地提高鉛酸電池的充放電接受能力、充放電速度及次數,石墨烯導電劑可以有效地抑制負極硫酸鉛晶體在電極表面的生長,進而提高鉛酸電池的循環壽命和次數等,利用石墨烯制作的石墨烯膜可以代替鉛酸電池中的電解液來提高電池的初始容量和效率,已經有相關研究證實了這一點。

石墨烯導電劑在鋰硫電池中的應用

目前石墨烯導電劑是鋰離子電池導電劑的主流方向。最早使用石墨烯材料用于鋰硫電池體系中,并同時發揮石墨烯導電支撐結構作用的報道為:將硫電極材料和利用氧化還原法制備的石墨烯共同進行熱化學反應處理復合,進而獲得三維的石墨烯/硫復合電極材料。而后有大批的研究者利用不同的石墨烯材料與不同的硫復合,做了大量的材料合成和研究工作探索。根據研究實驗使用的石墨烯材料種類和性能的不同,可簡單分為物理機械剝離石墨烯/硫復合材料、氧化石墨烯/硫復合材料與經過化學還原處理的石墨烯/硫復合材料等3大類,后續隨著研究深入,還會有新的材料體系涌現。

不同種類導電劑對比

導電劑的性能很大程度上取決于材料的結構和其與活性物質接觸的方式。炭黑的結構性是以炭黑粒子間聚成鏈狀或葡萄狀的程度來表示的,顆粒細、網狀鏈堆積緊密、比表面積大、單位質量顆粒多,有利于在電極中形成鏈式導電結構。

作為傳統導電劑的代表,炭黑是目前使用最為廣泛的導電劑。

碳納米管具有特殊的一維纖維狀結構,結晶度高,有著較高的導電性、導熱性和機械強度,一直以來受到各國研究者的關注。目前電池工業用導電炭黑的電導率為0.2~0.5S/cm,由于碳納米管在管壁間存在著離域大π鍵,因此碳納米管的軸向導電性遠遠高于炭黑。

石墨烯作為一種新型的二維柔性平面炭材料,有著優良的導電性和導熱性。這種結構使得石墨烯片層可以附著在活性物質顆粒上,為電極正負極活性物質顆粒提供大量的導電接觸位點,使電子能夠在二維空間內傳導,構成一個大面積的導電網絡,所以也被看作當前理想的導電劑。

石墨烯導電劑相對于傳統導電劑有著極其優異的性能,可顯著提升電極內部的電化學反應速度,提升高倍率充放電性能,可以明顯改善鋰離子電池的性能,隨著新能源汽車的發展,這必將會成為今后一個非常有前景的發展方向。

參考來源:

李琰.淺述石墨烯導電劑在電池領域中的應用

劉玲玲.石墨烯在鋰離子電池中的應用

李春曉.石墨烯導電劑在電池領域中的應用

劉宗哲.石墨烯導電劑的研究和展望

本文來自中國粉體網,本文觀點不代表利特納米立場,轉載請聯系原作者。

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