鉅大LARGE | 點擊量：1073次 | 2022年09月14日
解讀三星"石墨烯"電池
最近一篇有關(guān)三星石墨烯電池文章甚囂塵上，其實這已經(jīng)不是所謂的“石墨烯”電池第一次進入人們的視野了，此前就有有關(guān)華為“石墨烯”電池的報道，只不過最后都證明，這只是借“石墨烯”的一場炒作，只是資本吸引人們眼球的策略。此次報道的三星“石墨烯”電池是否也是一場炒作，還是真正意義上的“石墨烯”電池呢？為此我們找到了報道中出現(xiàn)的三星“石墨烯”電池論文的原文，為大家做解讀。
這篇來自三星的文章發(fā)表在著名的期刊——NatureCommuinication上，原文的題目如上圖所示，該文的題目的中文翻譯為《用于快速充電和高體積能量密度鋰離子電池的石墨烯球》，從題目可以看到，這篇文章是有關(guān)鋰離子電池材料的一篇論文。題目中提到的“石墨烯球”實際上是一種利用真空分解技術(shù)在SiOx顆粒的表面生長石墨烯而制成的小球，這種“石墨烯球”即可以涂布在高鎳正極材料表面，抑制副反應(yīng)發(fā)生，也可以作為負極材料單獨使用。從上面的介紹可以看到，原文中提到的根本不是所謂的全新的“石墨烯”電池，而是一種采用石墨烯處理的電池材料。
雖然這不是許多媒體口中的具有顛覆意義的“石墨烯電池”，自然談不上取代鋰離子電池了，但是從介紹來看，這仍然是一種優(yōu)異的鋰離子電池材料，特別是在提高鋰離子電池快充性能方面，更是具有非常明顯的優(yōu)勢，因此小編就帶大家一起了解一下，這樣一款高性能的鋰離子電池材料。
文章中的“石墨烯球”（GB）實際上是InHyukSon利用真空分解技術(shù)CVD，以CH4為碳源，在1000℃下與直徑為20-30nm的SiO2發(fā)生反應(yīng)，SiO2顆粒被還原成為SiOx，并且顆粒表面包覆了一層石墨烯，反應(yīng)化學(xué)式如下所示。
這樣一種材料，我們首先想到的就是作為負極材料，的確SiOx材料是目前最為成功的高容量負極材料，但是三星的科學(xué)家卻另辟蹊徑，將“石墨烯球”作為高鎳正極材料的表面涂層材料，涂在NCM613上。三星這樣做也有他們自己的理論：石墨烯作為一種具有良好導(dǎo)電性的材料，非常適合作為正極包覆材料，提高導(dǎo)電性，抑制副反應(yīng)的發(fā)生，但是因為石墨烯片之間強烈的靜電用途力使得其很容易發(fā)生團聚，從而導(dǎo)致石墨烯很難均勻的分散在正極材料的表面?！笆┣颉蹦軌蚝芎玫慕鉀Q這一問題，即便是在1%的含量下也能夠很好的分散在NCM613材料之中，在NCM顆粒表面形成一層保護層，提高材料的界面穩(wěn)定性。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
下圖是采用“石墨烯球”進行包覆處理后的NCM613和沒有經(jīng)過包覆處理的材料的電化學(xué)性能測試結(jié)果。從下圖a和b我們可以看到，經(jīng)過“石墨烯球”處理后的NCM材料，在大倍率下放電能力明顯高于沒有經(jīng)過處理的材料，特別時在25℃時，這種差別更加明顯。從圖c和圖d中我們也可以注意到，在4.3V、4.4V和4.5V截止電壓下，經(jīng)過包覆處理后的NCM材料（實心球曲線）的循環(huán)性能要明顯好于對照組，特別是在60℃高溫，這一現(xiàn)象更加明顯，這重要是因為均勻的“石墨烯球”包覆層很好的抑制了界面副反應(yīng)的發(fā)生，從而阻止了NCM材料從“層狀結(jié)構(gòu)”向“巖鹽結(jié)構(gòu)”衰變，提高了NCM材料的循環(huán)性能。
同時得益于“石墨烯球”良好的導(dǎo)電性，使得我們可以降低NCM電極中導(dǎo)電劑SP的用量，將活性物質(zhì)的比例從92%提高到97%，這也極大的提高了NCM電極的體積比容量，從而提高了鋰離子電池的體積能量密度。
除了作為NCM材料的涂層外，“石墨烯球”GB還能夠單獨作為一種負極材料使用，與GB-NCM（石墨烯球包覆NCM）使用，從而使鋰離子電池獲得快速充電的能力。作為負極材料的“石墨烯球”比容量可達716.2mAh/g（0.1C），在石墨烯良好的導(dǎo)電性的用途下，“石墨烯球”具有優(yōu)異的倍率性能，在10C倍率下，仍然能夠發(fā)揮240.6mAh/g的容量，是0.1C下容量的33.6%?！笆┣颉辈粌H具有優(yōu)異的倍率性能，在循環(huán)性能方面也表現(xiàn)優(yōu)異，25℃下，5C倍率循環(huán)500次，容量保持率可達88%，60℃下，5C循環(huán)500次，容量保持率可達86.1%。在全電池中“石墨烯球”也表現(xiàn)出了良好的循環(huán)性能，特別是在60℃下，沒有經(jīng)過處理的NMC/石墨電池容量迅速衰降，但是GB-NCM／GB電池則保持了良好的循環(huán)性能（下圖e）。
當(dāng)然“石墨烯球”作為負極材料時還面對一個問題，那就是首次庫倫效率較低，這重要是因為石墨烯較大的比表面積，導(dǎo)致在低電勢下副反應(yīng)較多，消耗了較多的Li+。為了解決這一問題，InHyukSon在使用“石墨烯球”作為負極材料時，要首先對其進行了預(yù)鋰化處理，在目前負極預(yù)鋰化技術(shù)還不成熟的前提下，首次效率較低也是要我們認真考慮的問題。
從上面的介紹不難看出，所謂的三星“石墨烯電池”只不過是一個炒作的噱頭，其實本質(zhì)上只是一種石墨烯／SiOx復(fù)合納米顆?！笆┣颉?，而且這種“石墨烯球”更加適合作為一種NCM材料的表面涂層材料，提高NCM材料的界面穩(wěn)定性，提高循環(huán)性能；改善NCM材料的導(dǎo)電性，提高NCM的倍率性能，同時得益于石墨烯材料良好的導(dǎo)電性，能夠顯著的提高電極中正極活性物質(zhì)的比例，提高鋰離子電池的體積能量密度。
雖然“石墨烯球”能夠作為負極材料使用，并且也具有優(yōu)異的倍率和循環(huán)性能，但是因為其首次效率低，必須配合補鋰工藝使用，因此在現(xiàn)階段補鋰工藝還不成熟的前提下，“石墨烯球”是否適合作為鋰離子電池負極材料還值得商榷。
因此總的來說，這個材料更應(yīng)該稱作是“鋰離子電池新型石墨烯添加劑”比較合適，而不是有的媒體所吹捧的“石墨烯電池”。
