2022-04-05
石墨烯不是只能在电导率有所增加而提升倍率，提供一种技术思路让锂电池行业能够茅塞顿开，别再天真地自以为石墨烯不能用在正负极材料了！
2016-09-21
电池这个领域我还在学习，首先解释为何粒径小则导电性高？从导电通道来看，粒径小则空隙小，相对通道多，故导电率高。而球形以点间相互接触，比片状接触面积大就是同样的道理。即使从导电性微观方面来考虑，选择片状填料应该最适合，但复材是三维结构，片状在 z 轴接触点较少，最终会影响导电性。粒子形态基于导电原理的一般选用原则为：粒子相互之间能形成更大的接触面积。通常片状、粒径小的填料导热性能好；圆状、粒径大者则导电性能好。
我为何还看好石墨烯在锂电池的应用？说穿了锂电池行业己经停滞不前，而我只会石墨烯，这个材料或许还有机会！但我提出几点来强化这个论点：
第一，石墨烯是「辅料」，就像文章中提到「碳包覆」的方式就是解法之一，「不要」只是局限在石墨烯，要根据你想改善哪个物性来决定，硅还是可以保留呀；
第二，「不要」只是把石墨烯的特性局限在导电性、比表面积上，其他像导热性及机械性能都是改善的重点，再回头根据第一点来修正，这样可以施行的方向就多了；
第三，「不要」用过去氧化还原法的石墨烯来看整个石墨烯家族，石墨烯至少有 600 多种，以形态上又可分为：介孔、凝胶、粉体及薄膜，各自优缺点都有，这个组合不行，难保下个组合没有突破。
回头想想爱迪生光做个电灯泡花了多少次试验，他为何那么坚持？首先是他有札实的理论基础；其次，他愿意用更多样的材料去试样；开发产品要像太极拳一样「无招胜有招」才是武术最高境界，你说是吗？我是一定会去试的，就缺相关业者能够提供我需要改善那里？
想想这类过硬的技术工作，我不做有谁做得来呢？
2016-09-20
石墨烯对于解决正极材料局部电压过高所产生的极化问题能有所帮助。就磷酸铁锂正极材料而言，可以改善倍率和低温性能；对锂钴氧化物与三元系材料则能提高循环性能。以下分别叙述石墨烯在两类锂电池的效果，如果你问我目前石墨烯在三元正极材料中的应用如何？只能说大家都还在努力，在实验室可以做得很好，配方也找出来了，但移到量产的“一致性”就还要再接再厉！至于成本真的不必去担心啦！
三元材料是镍钴锰酸锂的简称，化学式为 Li (NiMnCo)O2，是由镍盐、钴盐与锰盐为原料，依实际需要调比例后产生的共熔体。以三元材料做为正极的电池比钴酸锂电池较为安全，且成本低廉，电容量本身也不输钴酸锂电池 (>150mAh╱g)，工作电压与现有电解液匹配 (4.1V)，缺点是平台比钴酸锂低，适用的范围为动力电池与小型电池。三元系材料被认为是介于磷酸铁锂与钴酸锂的中间材料，在成本比钴酸锂电池还便宜的优势下，又有较好的高速率充放电条件，是它的优势所在。
三元系材料主要问题在于热失控温度较低 (约 190-200℃)、材料贴覆性差与导电度不佳等，而若为了降低导电度不佳的问题进行缩小粒径，又会引起比表面积过高导致吸湿快、材料不稳定的副作用。因此，为解决导电上的问题，使用石墨烯作为导电碳材，对三元系正极材料有着显着的效能提升。张基海 (2016)提出的试样结果如图 1 所示，在 100 次充放电测试中，相对于使用传统碳黑为导电剂的对比，添加 0.5-2.5wt% 石墨烯悬浮液的三元系材料有效延长了材料寿命。
由于石墨烯的片状结构能有效地在材料周围建立更加完善的导电网络，比起其他零维与一维导电材料更有竞争力。另外，石墨烯悬浮液的分散性与贴覆性佳，经过辗压及缠紧等加工也能减少材料掉粉或涂布层不连续的问题。
磷酸锂铁正极材料的化学式为 LiFePO4，属于橄榄石结构，相较于钴酸锂材料的结构稳定性佳，磷酸锂铁电池在充电时会释放出锂原子成为磷酸铁，由于磷酸根中磷与氧具有较强的共价键结构，因此在过充时不至于释放出氧气，也不会有爆裂的情况发生。
磷酸锂铁电池为目前少数具有经济性且符合环保及安全要求，在应用上，需求会偏向高速充放电的电动工具与车用环境。然而，其振实密度低 ( )、电子导电度低 ( )、锂离子扩散速率低 ( )，尤其为了满足汽油车辆点火的瞬间放电、与纯电动车在起步扭力上的高放电需求，更需要有效提升材料的导电性。如图 2 所示，在 1C 充放电容量测试下添加 0.5-2.5wt% 石墨烯的磷酸锂铁电池与添加碳黑的磷酸锂铁电池相比有 15% 的提升。
我们再提到其他部件，其他内容请参阅：
碳黑是目前使用最为广泛的锂离子电池导电剂，主要采用有机物 (天然气、重油等) 不完全燃烧或受热分解而得到，并通过高温处理以提高其导电性与纯度。石墨也是由碳构成，它是碳元素的一种同素异构体，石墨的导电性主要取决于它的含碳量、石墨化程度、粉体颗粒大小还有形态等因素。
一般传统添加在电池电极中的导电剂为碳黑而非石墨，其主要因素除了所加导电粉本身的导电性外，还与导电粒子在复合物中的分布状态有关。同等质量的碳黑和石墨，由于碳黑的比重比较小，在复合材料中占据了更大的体积分率，有利于形成导电网络，从而获得比石墨做填料更好的导电效果。石墨烯相对于碳黑，如图 3 所示，除了在同等质量的情况下拥有更大的体积分率以及导电网络外，由于吸油量高达 250ml╱100g，也有利于电解质的吸附，加上石墨烯具有柔韧性，具有更好的压缩性，有利于电池极片的加工，增加电池的体积能量密度。
负极导电添加剂的应用若是用在一般石墨的负极材料，经实验效益不大，毕竟石墨本身就是导电材料，再添加制作成本相对更高的石墨烯，效能凸显不出来外，还增加制作成本与制程分散问题。石墨烯属纳米材料，在实务应用上分散性重于一切，且若过度添加导电物质只会减少电极活性物质使用量，进而导致电池容量偏低，对实质性能毫无帮助。
但在新型的材料方面，硅基与石墨的混合材料有其潜力，虽然硅在导电性及电化学性能上都有其不足，却拥有低原子量、高锂摄取量、低反应电位。然而，硅基负极无法商业化的主要原因在于锂嵌入硅形成合金相的过程中会产生 300% 的体积变化，剧烈的体积膨胀收缩对材料产生很大的机械应力。若藉由石墨烯碳材的包覆，利用高比表面积与二维结构柔性的特性，能使材料循环寿命增加，还可增加导电度，也可以有更多的表面与电解液接触，使硅能更有效的被利用。
至于负极材料及隔膜也有类似以石墨烯大幅提升性能的测试数据，由此可见石墨烯用在锂电池物性改善方向是正确的。大家都说没有「石墨烯锂电池」这点我持保留态度，各位想想看～即使石墨烯掺入量不高，如果能够「同时」利用石墨烯完成正极材料、负极材料、导电剂及隔膜来整合成一个提升性能的锂电池，这时候我们不该称它为“石墨烯锂电池”吗？反正，等这些部件都达到规格水平且可以整合成锂电池时，我们再来讨论吧！
另外呼吁一下，如果你们需要合作开发锂电池各类部件务必找我，我已经准备好材料以待了！
