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石墨烯作为锂离子电池正极导电剂的研究

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点击次数:56 更新时间:2026年10月13日09:11:32 【打印此页】 【关闭】
  锂离子电池因具有工作电压高、比能量大、输出功率大、充电速率快、循环寿命长、无记忆效应、自放电小、工作温度宽等诸多优点,已经被广泛应用于消费类电子产品,并且在新能源汽车和储能系统等领域快速发展。然而昼夜、季节、地域等带来的温差变化,以及复杂的路况信息对锂离子电池的低温放电、倍率放电等电化学性能提出了更高的要求[2-3]。
  
  提高锂离子电池低温、倍率等电化学性能的方法主要包括提高正极的本征电子电导率与锂离子扩散速率[4]、提高导电剂的电子电导率[5-6]、提高隔膜的离子电导率[6]、降低电解液的熔点和黏度[7]以及改善电池的制作工艺[8]等方法。其中,添加电导率更高的导电剂的方法最为实用,添加少量的导电剂即可使性能获得较为明显的提升,成本增加少,同时易于扩大化生产。目前应用比较成熟的碳系导电剂主要包括导电炭黑(Super P)、导电石墨(KS-6)、气相生长炭纤维(VGCF)及碳纳米管(CNT)等[9]。
  
  石墨烯作为一种新型的纳米碳材料,目前已成为物理、化学和材料领域的研究热点。理士电池其作为优质的导电剂(载流子迁移率约为2×105 cm2/(V•s),锂离子迁移率为10-7~10-6 S/cm)[10],在锂离子电池领域有着巨大的应用前景。Li和Zhang等[11-12]通过水热法制备了LiFePO4/G的复合材料,SEM显示LiFePO4原位生长于石墨烯的表面,0.1 C下LiFePO4/G的比容量在达到160.3 mAh/g,接近理论比容量,10 C下也达到81.5 mAh/g。交流阻抗(EIS)等电化学测试发现石墨烯的掺杂提高了材料的导电性,同时减小了LiFePO4颗粒的尺寸,促进了锂离子的扩散速率。由于石墨烯具有较高的无序度、较大的比表面积以及大量微介孔缺陷等特性使得其在可逆储锂方面效果更加明显[13-14],这将显著改善目前锂离子电池存在的本征低电导率这一限制因素,为锂离子电池的广泛应用提供了研究方向,同时石墨烯枝接的化学基团(羧基、羟基等),可为活性材料间的结合,以及作为锂离子键合位点的辅助,具有更为深远的意义。
  
  目前人们的研究重点为将石墨烯与正极材料进行原位复合制备复合型正极材料,研究结果表明石墨烯复合型正极材料的电化学性能得到了提升,然而其制备工艺复杂且周期长,限制了工业化应用[15]。本实验将商业化的石墨烯作为正极导电剂导入到成熟的18650型号电池产品体系中,工艺简便可靠,易于工业化应用。实验考察了两种状态(浆料、粉末)的石墨烯对电池低温和倍率性能的影响。陈志金等[9]研究表明良好的导电剂有助于正极活性物质的性能发挥,因此实验进一步降低Super P的配比,提高正极活性物质的配比,考察石墨烯的添加能否有助于正极活性物质的性能发挥。
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