大家都聽(tīng)說(shuō)石墨烯電池可以讓電池電量更充足，充電速度更快，使用壽命更長(zhǎng)。大家也知道，石墨烯是2010年以來(lái)一直在熱炒的高科技新材料，具有很多優(yōu)異的性能。那么石墨烯到底在電池中發(fā)揮什么樣的作用呢？咱們來(lái)聊聊這個(gè)事情。
自從2010年石墨烯的研究者獲得諾貝爾獎(jiǎng)以來(lái)，石墨烯這個(gè)材料始終是新材料、高科技的代名詞。這個(gè)殊榮嚴(yán)格來(lái)說(shuō)并不為過(guò)，相對(duì)于石墨，石墨烯表現(xiàn)出了非常優(yōu)異的物理、化學(xué)性能，給材料科學(xué)領(lǐng)域帶來(lái)了一個(gè)閃光的新材料。它的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性好，比表面積大，結(jié)構(gòu)結(jié)實(shí)而且還有彈性，在航多行業(yè)都巨大的應(yīng)用潛力。
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在電池領(lǐng)域，石墨烯有很多功能，這些功能都讓石墨烯成為電池生產(chǎn)的香餑餑。我們主要以鋰離子電池為例來(lái)解釋石墨烯在電池中的作用
一、 石墨烯具有很大的比表面積， 適合做電極材料
雖然石墨也是由石墨烯形成的，但石墨里面的石墨烯是緊密堆疊在一起的，它們的距離太近了，中間很難塞進(jìn)東西去。就像我們前面說(shuō)過(guò)的，鈉離子電池如果用石墨來(lái)做負(fù)極的話，電池容量非常低，因?yàn)殁c離子很難進(jìn)入石墨烯間隙。鋰離子雖然可以進(jìn)入石墨烯間隙，但容量也不算高，大概每6個(gè)碳原子只能容納一個(gè)鋰離子。這樣的電極材料，容納鋰離子的能力低，制造的電池電量自然也很難提升。
石墨烯相對(duì)于石墨來(lái)說(shuō)就有更大的優(yōu)勢(shì)，石墨烯就像一張紙，紙的兩面都可以放鋰離子，相對(duì)于石墨來(lái)說(shuō)容量增加了一倍。所以，如果用石墨烯做負(fù)極材料的話，比用石墨做負(fù)極材料能儲(chǔ)存更多的電量。儲(chǔ)存更多電量就意味著用電器（手機(jī)、汽車(chē)）可以擁有更長(zhǎng)的續(xù)航時(shí)間，能做更多的工作。
嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，用石墨烯制作電極材料的電池，才是真正意義上的石墨烯電池。但現(xiàn)實(shí)中這類(lèi)電池并不多，畢竟石墨烯電極生產(chǎn)和使用還有很多困難，成本也會(huì)比較高。要知道，石墨烯一旦疊到一起，就變成石墨了，那它跟石墨的性質(zhì)就沒(méi)有太大的區(qū)別了。本來(lái)鋰離子的存在，可以阻止石墨烯疊到一起，但放電的過(guò)程中鋰離子會(huì)離開(kāi)，石墨烯很容易疊到一起，充電的時(shí)候是無(wú)法重新把它們分開(kāi)的。
二、 石墨烯導(dǎo)電性非常好， 可以做導(dǎo)電添加劑
石墨烯本身導(dǎo)電性能非常好，電阻小、電子傳輸速度快、導(dǎo)電性能受溫度影響小。鋰離子電池的正極材料往往都是一些導(dǎo)電性比較差的固體物質(zhì)，鋰離子進(jìn)出這些物質(zhì)要求它們的導(dǎo)電能力比較好，否則會(huì)嚴(yán)重影響電池的性能。傳統(tǒng)的鋰離子電池正極材料中也需要添加一些導(dǎo)電物質(zhì)幫助正極材料導(dǎo)電。經(jīng)常添加炭黑、導(dǎo)電石墨、Super Li、乙炔黑、科琴黑、碳納米管等等。這些材料也能改善正極的導(dǎo)電性能。但是石墨烯卻具有比他們更好的導(dǎo)電性能。
本身石墨烯是片狀的結(jié)構(gòu)，而且很柔軟，把它們添加到正極材料中，它們可以跟正極材料顆粒更好地接觸。別的導(dǎo)電材料跟正極材料接觸往往是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接觸或者線接觸，而石墨烯可以跟正極材料進(jìn)行面接觸，接觸更好，導(dǎo)電性能自然也更好。石墨烯本身傳導(dǎo)電子的能力很強(qiáng)，添加石墨烯的正極材料中，石墨烯可以形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，能高效傳導(dǎo)電子，不管是放電還是充電，都可以幫助正極材料有效工作。
不僅僅是正極材料，很多負(fù)極材料也需要石墨烯參與。當(dāng)發(fā)現(xiàn)石墨負(fù)極的缺點(diǎn)以后，人們又研發(fā)出了很多其他類(lèi)型的負(fù)極材料。比如金屬氧化物負(fù)極材料、金屬硫化物負(fù)極材料、硅負(fù)極材料等等。像特斯拉汽車(chē)的電池就是較早使用硅負(fù)極材料的。硅負(fù)極材料，相對(duì)于石墨來(lái)說(shuō)具有更高的鋰離子容量，也就是可以制造更高容量的電池。這類(lèi)電池相對(duì)于石墨電池來(lái)說(shuō)具有很大的優(yōu)勢(shì)，但也有一定的劣勢(shì)。比如導(dǎo)電性能比較差，需要添加一定量的石墨烯來(lái)幫助導(dǎo)電。金屬氧化物等負(fù)極材料，也受制于導(dǎo)電能力而需要石墨烯的幫助。
三、 石墨烯是非常優(yōu)秀的支撐材料
剛剛提到石墨烯添加到正極或負(fù)極材料中，可以充當(dāng)導(dǎo)電劑。其實(shí)石墨烯相對(duì)于其它導(dǎo)電劑還有一個(gè)獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，那就是支撐材料。不管是正極材料還是石墨以外的負(fù)極材料，在充放電的過(guò)程中都面臨一個(gè)問(wèn)題，那就是鋰離子需要進(jìn)出材料內(nèi)部。鋰離子進(jìn)去的時(shí)候會(huì)撐大內(nèi)部空間，讓材料體積變大，出來(lái)的時(shí)候材料會(huì)收縮。反復(fù)充放電，會(huì)造成電極材料的結(jié)構(gòu)被破壞，電池容量不斷下降。
石墨烯是一種非常結(jié)實(shí)的材料，比鋼鐵還結(jié)實(shí)，比鉆石還要結(jié)實(shí)。充填到電極材料中的石墨烯形成一個(gè)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，這些網(wǎng)格除了可以導(dǎo)電以外，還可以起到良好的支撐作用，避免鋰離子進(jìn)出電極材料而帶來(lái)的結(jié)構(gòu)破壞。這樣可以大大延長(zhǎng)電極材料的壽命，從而延長(zhǎng)電池的壽命，增加電池的充放電次數(shù)。
同時(shí)，石墨烯的強(qiáng)力支撐，還可以幫助電池能更好地適應(yīng)快速充放電。現(xiàn)在電動(dòng)汽車(chē)不太受歡迎，很重要的一個(gè)原因就是充電的速度太慢了，尤其是在行程中，需要充電的時(shí)候不僅需要排隊(duì)還需要等待很長(zhǎng)時(shí)間完成充電，如果能十幾分鐘完成充電，人們接受度就會(huì)大大提高。包括我們的手機(jī)，以前往往需要幾個(gè)小時(shí)甚至十幾個(gè)小時(shí)才能充滿，現(xiàn)在的快充技術(shù)甚至可以十幾分鐘就充滿電。但是，快速充電對(duì)于電極材料的考驗(yàn)是很大的，鋰離子的快速進(jìn)出，對(duì)于電極材料的結(jié)構(gòu)破壞程度更大，會(huì)明顯降低電池的使用壽命。用上石墨烯骨架的電極材料，抵抗快速充電的能力大大提高，不僅可以提高電池的壽命，也可以解決人們最關(guān)心的痛點(diǎn)。
此外，對(duì)于硅電極來(lái)說(shuō)，在工作中很容易在表面覆蓋一層絕緣的固體電解質(zhì)膜，從而阻礙電池性能的發(fā)揮。石墨烯材料在把硅材料包裹起來(lái)的同時(shí)，還可以阻礙固體電解質(zhì)膜的形成，減少因絕緣物質(zhì)形成而造成的性能下降。
四、 石墨烯是非常好的導(dǎo)熱材料
石墨烯的導(dǎo)熱性能非常好，比鉆石還要好，更比常見(jiàn)的金屬金銀銅鐵的導(dǎo)熱性能都好。現(xiàn)在很多手機(jī)、電子產(chǎn)品都開(kāi)始使用石墨烯作為散熱材料，利用的就是石墨烯的導(dǎo)熱性。石墨烯添加到電池內(nèi)部，除了前面的好處以外，還有利于電池內(nèi)部熱量的傳導(dǎo)，避免電池內(nèi)部過(guò)熱而發(fā)生危險(xiǎn)。石墨烯幫助散熱的電池，在充放電的過(guò)程中不容易發(fā)生鼓包之類(lèi)的危險(xiǎn)事故。此外，石墨烯對(duì)于電池冬季電量偏低的現(xiàn)象也是有幫助的。因?yàn)槭┍旧韺?dǎo)熱性很好，電池冬季使用的時(shí)候，可以把外部的熱量更好地傳導(dǎo)到電池內(nèi)部，解決內(nèi)部低溫帶來(lái)的負(fù)面影響。
五、 石墨烯的缺點(diǎn)
石墨烯當(dāng)然也不會(huì)全是優(yōu)點(diǎn)，沒(méi)有缺點(diǎn)，應(yīng)用在電池中，也有一些缺點(diǎn)存在。
首先，石墨烯的價(jià)格比較高，添加到電池內(nèi)部自然就會(huì)抬高電池的生產(chǎn)成本。雖然以后石墨烯生產(chǎn)成本會(huì)越來(lái)越低，但短時(shí)間內(nèi)石墨烯的價(jià)格還是比較高的，能明顯影響電池成本。
其次，目前石墨烯的生產(chǎn)工藝還不能很好地解決低成本、高質(zhì)量生產(chǎn)石墨烯的問(wèn)題。尤其是不同生產(chǎn)批次的穩(wěn)定性問(wèn)題還不能很好地解決。電池使用的石墨烯，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和穩(wěn)定性的要求是比較高的，如果不能很好地解決生產(chǎn)工藝問(wèn)題，就不能給電池工業(yè)批量提供質(zhì)量高、穩(wěn)定性好的石墨烯，從而讓電池的生產(chǎn)也面臨不可控因素。
第三，石墨烯怎樣添加到電極材料中去，怎樣形成理想的支撐結(jié)構(gòu)，也不是很簡(jiǎn)單的，對(duì)生產(chǎn)工藝的挑戰(zhàn)比較大。可不是說(shuō)把石墨烯添加到電極材料里面一攪和，石墨烯就乖乖就位的。石墨烯本身很容易聚集到一起，相互疊加就會(huì)影響石墨烯性能的發(fā)揮，石墨烯堆積多了，就變成石墨了，完全無(wú)法發(fā)揮石墨烯的優(yōu)勢(shì)了。
第四，石墨烯形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)支撐電極材料，很有意義，但石墨烯在電極材料中也是障礙物，會(huì)阻礙鋰離子的自由流動(dòng)。所以怎樣協(xié)調(diào)石墨烯和電極材料之間的關(guān)系，設(shè)計(jì)最優(yōu)的結(jié)構(gòu)也是影響電池性能發(fā)揮的重要因素。
為了更好發(fā)揮石墨烯的優(yōu)勢(shì)，降低石墨烯自身的缺點(diǎn)，在用石墨烯做導(dǎo)電劑的時(shí)候，往往會(huì)選擇與其它導(dǎo)電劑搭配使用。既可以降低成本，也可以減少石墨烯自己團(tuán)聚在一起而失效。
通過(guò)以上介紹，希望對(duì)大家理解石墨烯電池有一定的幫助，也希望科研工作者能繼續(xù)努力，不斷提高石墨烯在電池中的應(yīng)用價(jià)值，讓石墨烯電池名副其實(shí)。
