- 解读“万能材料”石墨烯：在电池上的应用真那么神奇？

　　b、工艺特性不兼容。就是石墨烯比表面积过大，会对现有锂离子电池的分散均浆等工序带来一大堆工艺问题。

　　答：不同工艺下石墨烯会拥有不同的比表面积，例如我们用高温工艺只得到20m2╱g，但低温工艺却可以得到900m2╱g，千万不要被理论比表面积2，630m2╱g给混淆。有关Oak Ridge National Laboratory与Vorbeck研究成果发现石墨烯对于浆料的工艺的性能有很消极的影响，并不表示别家的工艺下的石墨烯也会重现这种现象。其实问题还是在「界面」罢了，这点专家也不能否认，但大家可能不了解这个界面不是石墨烯造成的，却可以由石墨烯高分子复材的制备工艺来解决的。

　　c、如果石墨烯做负极理论上最多是石墨负极两倍的容量（720mAh/g），为什么不用硅？

　　答：这点到目前是对的。但我们认为锂离子电池优先要改善的重点反而不是负极材料，是正极材料。我们希望能各自改善正极、负极、隔膜及导电剂，再以系统的角度去取舍最后的规格，或许到最后还是会选择硅也说不定，但绝对是朝硅╱石墨烯复材角度去进行，没办法，谁叫我只会做、也只能做石墨烯。

　　d、石墨烯是可以做导电剂促进快充放，理论上可以提高倍率性能，且石墨烯如果把它展开与电极活性物质复合，会堵塞锂离子扩散的通道。

　　答：我说过石墨烯不会单独存在，必须以复合材料的型态出现，即使是正极、负极及隔膜也是这样。最近，思考锂离子吸附脱附塬理，甚至想用3D结构石墨烯，包括气凝胶或泡沫状也是这个道理，扩散通道的解决方案不会很难的。

　　接着，我们来讨论怎幺应用各类石墨烯来提高锂离子电池的能量密度。首先，要说明的是，我们还在找后端电池模块厂，这项商品化工作没有模块厂或系统厂的合作开发也是枉然。其次，我们用不同石墨烯在实验室的确有些改善、有些还在思考替代方案，下面的思路不仅是给我们自己作为引导，也是给想从事石墨烯应用在电源领域的同好作为参考。

　　我们都知道要提升锂离子电池的能量密度，有以下方法：

　　1.提高正极活性物质的比例：锂离子做为能量载体，锂离子才能穿越隔离膜到负极参与反应，可是锂离子在正极的比例小于1%，其余都是锂氧化物，因此必须提高正极活性物质的比例。

　　2.提高负极活性物质的比例：为了因应正极锂离子浓度提高的情况，以避免不可逆的化学反应反造成能量密度衰减。

　　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，然而正极活性物质的比例有上限，因此研究新的正极材料是提高材料反应活性的方法。

　　4.提高负极材料的反应活性：这不是主要的解决方法，但可解少负极材料的质量，负极多为石墨，可将其改为新的负极材料或纳米碳管等以提升活反应效率。

　　5.其他部分的减重以获提升效率。

　　至于，充放电速率的提升方法为：

　　1.提高正负极离子的扩散能力：正负极活性材料都尽量薄，且在活性物质的内部具有足够且均匀的孔隙，以利离子通过。

　　2.提高电解质离子导电率：以加快锂离子在正负极之间往来的速度。

　　3.降低电池内阻。

　　既然如此，我们从系统的角度决定改善顺序为：正极→负极→隔膜→导电剂。

　　作为正极材料要求大容量及优异的循环特性，为使电池能够急遽充放电，可采用提高活性物质的电子传导性、离子传导性及缩短传导距离的方法来进行。Zhou（2011）利用石墨烯添加在LiFePO4/C复合材料，亦即将磷酸锂铁正极材料放入氧化石墨烯溶液，再搭配喷沫造粒合成出微米级的二次粒子，从微观角度观察石墨烯均匀披覆在磷酸锂铁材料的表面，从电性的比较结果显示在循环寿命与快充能力（如图2所示），石墨烯的添加能显着提升磷酸锂铁正极材料的稳定性以及大电流充放电的表现。

　　最近半年有专家提到几个原因使石墨烯应用在锂离子电池应用变得困难，包括：

　　a、成本问题。传统导电炭黑和石墨都是论吨卖的（一吨几万元），论克卖的石墨烯哪天能降到这个价？此时使用的材料就是石墨微片（可能有几十层），根本不是单层或数层的石墨烯。

　　答：石墨烯成本目前的确已经可以做到一吨十几万元，而且层数在六层以内。我们试过在达成同样的导电率下叁者渗滤阈值分别为，石墨烯：碳纳米管：碳黑约等于1：2：4，这说明石墨烯的性价比已经超越导电碳黑。其实能否取代导电碳黑不是成本问题，而是石墨烯要能高于现有规格才有机会。我在上篇文章已经谈到因为需要形成导电网络，所以多层石墨烯比单层石墨烯更有用，我们发现六至十层的效果最佳。

　　在负极材料方面，Chou（2010）结合高电容量的纳米硅负极（40nm）与具柔软特性的石墨烯以穆尔比1：1的比例进行混合，其极板之表面形貌（如图3所示），纳米硅与石墨烯均匀地混合在一起，在循环寿命的表现，硅╱石墨烯复合材料之循环寿命与纯纳米硅相比可显着地提升，经过30个cycles仍保有1300mAh/g的电容量表现，在交流阻抗分析结果亦显示相较于纳米硅，硅╱石墨烯复合材料的阻抗可降低到40Ω，预期亦可提升此材料的快充特性。

　　在锂电池充电过程中，活性锂会在负极金属锂箔表面发生不均匀沉积，多次循环之后就会形成锂枝晶。枝晶的生长方向是不断从（电解液/电极）界面向正极延展。锂是沉积在隔膜和负极的接触部位，生长的方向是沿着从负极→隔膜→正极的走向，因此反应发生的地点是在负极与电解液的“界面”上。以氧化石墨烯来改善隔膜的界面粗糙度，也是解决枝晶的对策之一。

　　正极活性材料多为过渡金属氧化物或者过渡金属磷酸盐，它们是半导体或者绝缘体，导电性较差，必须要加入导电剂来改善导电性；负极石墨材料的导电性稍好，但是在多次充放电中，石墨材料的膨胀收缩，使石墨颗粒间的接触减少，间隙增大，甚至有些脱离集电极，成为死的活性材料，不再参与电极反应，所以也需要加入导电剂保持循环过程中的负极材料导电性的稳定。以导电剂作用于LiFePO4╱C材料的颗粒之间，其导电效果的好坏有很大程度决于颗粒的大小和与活性物质的接触方式。这点在选择石墨烯上只需考虑粒径大小即可。

　　这里各位可以看到我在四类部件上使用四种工艺，每种工艺参考相关文献都至少有一种石墨烯材料做客制化，这就是我一再鼓吹从应用技术反推石墨烯材料组合的概念，这也是使用单一工艺像氧化还塬法无法进展的主要塬因。

　　我常说“坐而言、不如起而行”，以下是我对石墨烯应用在能源的看法：

　　第一，石墨烯作为重要的新材料，在智能手机、新型显示、锂离子电池、太阳能光伏等电子信息行业多个重要领域应用前景广阔，当前石墨烯材料仍处于产业化应用初期，在上述领域大规模应用仍需开展大量工作。

　　第二，石墨烯材料在新一代信息技术产业的大规模应用，应与下游需求紧密结合，注重材料研发、产品设计、制备工艺等环节的统筹谋划，构建产业生态新模式，打造需求牵引、同步研发、紧密耦合的产业发展模式，推动石墨烯材料在新一代能源技术领域中尽早应用。