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一文读石墨烯碳能润滑油对电子传导的改善

文章来源:碳能润滑油 人气: 发表时间:2017-11-22

       一文读石墨烯碳能润滑油对电子传导的改善, 除自身的物理性质(良好的电子电导率)及结构 (平面二维)特点外, 石墨烯导电剂的高效性还跟其与活性材料颗粒独特的接触模式有关. 本课题组率先提出如图2的石墨烯柔性“面-点”接触导电网络机理图.。

   考虑到不同锂离子电池正极体系的特性有差别, 对于导电剂的需求量也不尽相同, 本课题组针对不同锂离子电池正极体系(包括LFP, LCO, NCM)系统考察了石墨烯导电剂在实验室工况下的最优使用量, 并与使用其他导电剂进行了对比, 探讨了基于“面- 点”接触模式石墨烯导电剂具有的优势.
   可以看出, 1%石墨烯的引入相较于碳黑也可以发挥明显的导电效果, 在1 C下的循环性能要优于使用3%碳黑的电池性能. 在LCO和NCM体系中, 石墨烯最优使用量小于LFP体系的原因是活性物质的尺寸差异. LFP颗粒的粒径(300 nm~1m)远低于LCO和NCM(粒径约10m), 所以前者比表面积更高, 需要相对较多的石墨烯才能在电极内部构建有效的导电网络.
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   石墨烯导电剂的使用可以在很大程度上减少导电剂的用量,从而有效提高锂离子电池体积能量密度.目前锂离子电池对体积能量密度的要求远比质量能量密度迫切.导电剂在电池内部不能提供容量,但是由于其密度较轻,即使用量很小也会占据很大的电极空间,在很大程度上减少了整个体系的体积能量密度.以导电炭黑为例,其密度一般为0.4 g/cm3,远小于LFP的2.0~2.3 g/cm3和LCO的3.8~4.0g/cm3. 理论上讲, 每减少1%的导电碳黑就相当于增加了约5%的LFP或7%~10%的LCO,可以大幅提高整个体系的体积能量密度.
    在电极内部构建导电网络时, 如果能够综合利用石墨烯与碳黑的“面-点”和“点-点”接触模式, 可以在使用更少石墨烯的前提下进一步提高正极活性材料的性能发挥.事实上,在实际锂离子电池制备过程中, 为了综合利用不同导电剂的优势,在更大程度上综合提高电池性能,也往往将两种不同导电材料(导电碳黑与导电石墨或碳纳米管)组成二元导电剂使用,在电极的不同尺度上同时建立导电网络.如Kim课题组将碳黑与导电石墨作为LCO的导电剂; Fan课题组将碳黑与碳纳米管引入到LCO体系; Sotowa等人将碳黑与碳纳米管用于LFP体系等(图4). 由于不同尺度的导电剂可以分别从电极的不同层次上构建协同导电网络,所以效果 优于单一导电剂的情形.
    石墨烯和导电碳黑的接触模式之间存在着良好的互补效应,可以在电极内部同时建立“长程”和“短程”导电网络.石墨烯导电剂虽然可以在较少的使用量下通过片层之间的搭接构建良好的导电网络, 大幅度提高整个电极的电导率; 但是具体到每个活性材料颗粒上,石墨烯片层不能完全覆盖整个颗粒表面,电子在“面-点”接触之外部分裸露表面上的传输显然会相对滞后.
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