1鋰離子電池發(fā)展現(xiàn)狀

相比于普通電池，鋰離子電池具有比能量高、自放電小、使用壽命長(zhǎng)、高低溫適應(yīng)性強(qiáng)和綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)代高性能電池的優(yōu)先選擇，已成為便攜式電子產(chǎn)品和電動(dòng)汽車的電源。新能源汽車（重要是電動(dòng)汽車）市場(chǎng)持續(xù)快速擴(kuò)張帶動(dòng)鋰離子動(dòng)力鋰電池需求猛漲，截止到2017年八月三十一日我國(guó)新能源汽車?yán)塾?jì)產(chǎn)銷量超過(guò)100萬(wàn)輛，年均增幅超過(guò)200%，僅2017年前十月新能源汽車?yán)塾?jì)銷量就高達(dá)49萬(wàn)輛。

當(dāng)前商業(yè)化的鋰離子電池材料體系重要是正極鈷酸鋰、磷酸鐵鋰和負(fù)極石墨。盡管石墨的儲(chǔ)鋰容量能達(dá)到372(mAh)/g，允許鋰離子自由的嵌入和脫嵌，形成相對(duì)穩(wěn)定的固體電解質(zhì)界面膜，取代了鋰金屬成為工業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)負(fù)極材料，但其能量密度過(guò)低，成為限制其高端電池應(yīng)用的瓶頸。目前鋰離子電池比能量已達(dá)140(Wh)/kg，雖是鎳鎘電池的3倍，鎳氫電池的1.5倍，但仍不能完全滿足當(dāng)前市場(chǎng)關(guān)于動(dòng)力鋰電池的性能需求。我國(guó)政府在十三五新能源汽車試點(diǎn)專項(xiàng)的共性關(guān)鍵技術(shù)類研究項(xiàng)目高比能量鋰離子電池技術(shù)中提出：到2020年，電池單體能量密度300（Wh）/kg，循環(huán)壽命1500次，成本0.8元/（Wh），安全性能達(dá)到國(guó)標(biāo)要求。因此，在當(dāng)前商業(yè)化應(yīng)用鋰離子電池材料體系基礎(chǔ)上，如何開(kāi)發(fā)出新型高性能復(fù)合電極材料是加快突破鋰離子電池發(fā)展瓶頸的關(guān)鍵，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。

2石墨烯的特點(diǎn)及其在鋰離子電池中應(yīng)用潛力分析

石墨烯具有獨(dú)特的單層二維結(jié)構(gòu)，僅一個(gè)原子層厚，約0.34nm，相當(dāng)于頭發(fā)絲直徑的十五萬(wàn)分之一，是目前已知的厚度最薄、強(qiáng)度最高、結(jié)構(gòu)最致密的納米材料，同時(shí)具備透光性好（透光率97.7%）、導(dǎo)熱系數(shù)高（5300W/（mK），金剛石的3倍）、電子遷移率高（1.5×10^{4cm2/Vs，商業(yè)硅片的10倍）、比表面積高（2630m2/g）、機(jī)械強(qiáng)度高(1TPa)等性能，號(hào)稱黑金，是新材料之王，科學(xué)家甚至預(yù)言石墨烯將徹底改變21世紀(jì)。}

在鋰離子電池領(lǐng)域中，石墨烯已顯示出顛覆性潛質(zhì)的特殊功能：一是石墨烯優(yōu)良的導(dǎo)電和導(dǎo)熱特性，使其具有良好的電子傳輸通道和循環(huán)穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)電池安全、快速充放電，且能延長(zhǎng)使用壽命；二是石墨烯片層間距大于結(jié)晶性良好的石墨，使鋰離子在石墨烯片層之間擴(kuò)散通暢，利于鋰離子電池功率性能的提高；三是石墨烯是單層碳原子，上下表面均可存儲(chǔ)鋰離子，且由于制備過(guò)程中引入缺陷、邊緣懸掛鍵等，這些位置均可存儲(chǔ)鋰離子，提高存儲(chǔ)容量，所以理論上其容量可能是石墨烯的兩倍，高達(dá)744(mAh)/g。石墨烯在鋰離子電池領(lǐng)域應(yīng)用將使性能發(fā)生質(zhì)的飛躍。

3石墨烯在鋰離子電池中的應(yīng)用情況

3.1科技強(qiáng)國(guó)大力支持石墨烯的發(fā)展

2013年歐盟委員會(huì)選定石墨烯項(xiàng)目為未來(lái)新興技術(shù)旗艦項(xiàng)目；2014年，英國(guó)在曼徹斯特大學(xué)投資6000萬(wàn)英鎊，加速石墨烯產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化、市場(chǎng)化；同年，美國(guó)共投入2800萬(wàn)美元，支持石墨烯及其相關(guān)二維材料基礎(chǔ)研究；日本以綠色低碳為著眼目標(biāo)，大力支持石墨烯批量制備技術(shù)研發(fā)；2012～2018年韓國(guó)向石墨烯投入2.52億美元，用于技術(shù)開(kāi)發(fā)和商業(yè)化應(yīng)用研究；2015年底我國(guó)工信部等三部委聯(lián)合出臺(tái)《有關(guān)加快石墨烯產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的若干意見(jiàn)》，將石墨烯納入十三五國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃重點(diǎn)發(fā)展對(duì)象，據(jù)報(bào)道，我國(guó)相關(guān)公司已發(fā)展了液相低聚物法合成單原子層石墨烯、多相量子自耦反應(yīng)技術(shù)等的石墨烯產(chǎn)業(yè)化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。

3.2石墨烯在鋰離子電池中應(yīng)用的最新進(jìn)展

2016年十二月，華為公布5min即可充滿3000mAh電池48%電量的快充技術(shù)成果，該電池采用新型材料石墨烯，可實(shí)現(xiàn)鋰離子電池與環(huán)境間的高效散熱，電池上限使用溫度提高10℃，壽命是普通鋰離子電池2倍。2017年八月Fisker公布首款搭載石墨烯電池技術(shù)的電動(dòng)超跑，石墨烯技術(shù)能延長(zhǎng)續(xù)航里程、電池壽命，同時(shí)加快充電時(shí)間，新車最大速度為259km/h，續(xù)航里程達(dá)644km（特斯拉續(xù)航里程不到500km）。2017年十一月，三星宣布開(kāi)發(fā)出石墨烯電池技術(shù)，電池容量比目前市面上的電池高出45%，充電速度提升到現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的5倍，12min即可充滿，相關(guān)成果已發(fā)表于《自然通訊》雜志上，并在韓國(guó)和美國(guó)申請(qǐng)了專利。根據(jù)調(diào)研分析，當(dāng)前石墨烯產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的電池產(chǎn)品有石墨烯復(fù)合磷酸鐵鋰正極材料和石墨烯包覆石墨負(fù)極材料。

4石墨烯在鋰離子電池中的大規(guī)模應(yīng)用難點(diǎn)與爭(zhēng)議

4.1高質(zhì)量、低成本石墨烯的制備是制約石墨烯應(yīng)用的難點(diǎn)

現(xiàn)有石墨烯的有效產(chǎn)業(yè)化制備工藝氧化還原法，雖可大規(guī)模制備，但制得的石墨烯具有缺陷且在其基面上引入了官能團(tuán)，使性能大幅下降，且層數(shù)越少，規(guī)模化生產(chǎn)越難，成本越高。制備出結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、形貌可控的高質(zhì)量石墨烯，并且降低石墨烯宏量制備的成本是制約石墨烯應(yīng)用的難點(diǎn)。

4.2對(duì)石墨烯在鋰離子電池中大規(guī)模應(yīng)用的爭(zhēng)議

石墨烯作為一種有望替代、彌補(bǔ)或顛覆傳統(tǒng)材料的先進(jìn)材料，產(chǎn)業(yè)界仍存在不同的聲音，重要集中在三個(gè)方面：一是在電化學(xué)原理上，石墨烯沒(méi)有充分顯露顛覆性的潛質(zhì)；二是在鋰離子電池中，石墨烯最快應(yīng)用在鋰離子電池的負(fù)極與導(dǎo)電劑材料，控制其成本問(wèn)題和工藝兼容性，仍是當(dāng)前亟待解決的關(guān)鍵產(chǎn)業(yè)問(wèn)題；三是目前石墨烯應(yīng)用比較成熟的領(lǐng)域多集中在中低端添加石墨烯類的產(chǎn)品，真正能夠顯示石墨烯特殊性能的高端應(yīng)用尚在實(shí)驗(yàn)室中，短時(shí)間內(nèi)批量生產(chǎn)和商用還有些困難。

5結(jié)語(yǔ)

石墨烯的性能毋庸置疑，其在鋰離子電池領(lǐng)域的應(yīng)用符合市場(chǎng)對(duì)鋰離子電池的更高需求，盡管目前還存在不少挑戰(zhàn)，但坐而言、不如起而行，隨著石墨烯在其他領(lǐng)域應(yīng)用研究的繼續(xù)開(kāi)展，以及制備技術(shù)的成熟，石墨烯在鋰離子電池領(lǐng)域的發(fā)展前景可期。