劉兆平在CIBF研討會上的講話：石墨烯在鋰離子電池中應用的研究進展

劉兆平在CIBF研討會上的講話：石墨烯在鋰離子電池中應用的研究進展

6月20日，由中國化學與物理電力工業協會主辦的第十一屆中國國際電池技術交流會在深圳會展中心開幕，研討會以動力電池和儲能電池為重點，圍繞電池應用展開，來自電池行業的50多位頂尖專家齊聚一堂。世界發表了主旨演講。來自50多個國家和地區的800多名行業專家、學者和企業家出席了會議，圖為中國科學院寧波材料技術工程研究所潘劉兆平博士在2014年中國國際電池技術交流會上的主旨演講。

感謝組委會給我一個介紹石墨烯的好機會。這是我第一次公開談論石墨烯和鋰電池的研究進展。

最近，世界杯很熱。石墨烯材料類似于足球的結構。深圳機場的屋頂也是由石墨烯制成的，從實驗室到石墨烯工業化有許多困難的過程。和許多研究石墨烯的同事一樣，工業化是首要考慮的問題。從2008年到2009年，我們從創造新方法到試驗和參加競賽都取得了很好的成績。因此，外部世界非常關注我們。2012年初，我們贏得了投資者的青睞，獲得了2億多技術轉讓費，成立了寧波美樂集團有限公司。

我們的技術優勢是：一是創造了獨特的插層剝離技術；二是創新了復合粉體技術；三是建立了可靠的大規模生產工藝，投資者資金雄厚。

在剝離方面，我們創造了一種新的方法來控制石墨烯的厚度，這種方法具有高導電性、良好分散性和低成本，以滿足鋰離子電池的應用要求。我們解決了保持高導電性的問題，這也是我們考慮工業化的原因。我們還解決了石墨烯的厚度控制問題。擁有獨特的化學剝離技術，一個石墨顆粒有上千層，相當于一本書。每一頁都是石墨烯，但很難翻開每一頁，所以我們需要找到一種新的方法。對于鋰電池和大多數工業來說，目前的要求不需要太高，我們的工業制備過程是通過插層、膨脹，然后再進行剝離。石墨烯的特點是分散困難。有時此前，中國代表團還參加了在法國舉行的石墨烯展覽會。據報道，寧波有300噸石墨烯的生產能力，幾乎N個足球場都能堆積如山。如果石墨烯制成的很蓬松，不堆積在整塊的中間，體積很大，但這種狀態是無用的，因為過松會造成空氣污染，而且不能運輸，所以要解決這個問題。問題是，讓它具有高密度、良好分散性，特別是在鋰電池中。我們的方法是在它的表面涂上一層高分子材料，這層材料必須與其他物質相容，以增加石墨烯的密度。在實驗過程中，石墨烯最初是顆粒狀和粉末狀的，每一塊都被包裹在聚合物經過處理后，再分散的效果是片狀的，我們主要應用于電池領域，我們開發了電池用石墨烯粉末和電池用泥漿，該泥漿具有良好的流動性，類似于注入和分散的油墨，我認為該泥漿和石墨烯導電劑非常適合您的應用。

雖然我們已經發布了產品，但價格不貴，我們宣布的價格是1000元1公斤。我們的目的是讓它負擔得起并得到良好的使用。而且我們有保險。如果有問題的話，我們最多可以付2000萬元一次補償，5000萬元一次補償。也就是說，我們不僅是石墨烯材料的供應商，也是應用技術解決方案的供應商。

石墨烯可用于電極材料，使其具有良好的導電性，如磷酸鐵鋰、硅陽極材料需要高導電性的材料，可見石墨烯均勻地分散在磷酸鐵鋰中，其比例和性能得到提高。與納米碳材料相比，2%左右的納米碳材料的填充量相當于1%的石墨烯，說明石墨烯的填充量稍好，寧波某企業已建成磷酸鐵鋰生產線。由于石墨烯工廠剛剛建成，量產才剛剛開始，采用石墨烯-磷酸鋰-鐵復合方案，在實驗室中我們還設計研究了硅材料，發現石墨烯和硅也可以很好地復合。

目前，我們遇到的困難是石墨烯是薄片狀結構，會出現自堆積現象，在生產過程中可能會引起堵塞，經研究，建議研磨后加入石墨烯，或不研磨。

我們已經開發了兩種產品，一種是水性鋰電池的石墨烯漿，另一種是電池用石墨烯粉，我們收到的問題包括：第一，石墨烯導電嗎第二，石墨烯能阻止鋰離子的擴散嗎事實上，一個結構完整的石墨烯鋰離子不會被阻擋。第三，石墨烯會降低電池的性能嗎事實上，這些顧慮是多余的，就像在我們的大廳里，有門，石墨烯不會堵塞陰極材料的通道，鋰離子可以完全自由地在里面傳輸，而且導電性也很強。

通過比較石墨烯和碳納米管的優點，我們發現填充1%石墨烯的電阻相當于填充2%碳納米管和5%SP的電阻，也就是說，石墨烯略好于碳納米管，單是石墨烯對復合導電劑不好，因為石墨烯片太大，可以看出石墨烯是均勻分散劑。在磷酸鐵鋰電極中，其倍率性能和能量也稍高，我們發現制作20Ah電池后，其性能更加顯著，倍率性能更高，壽命也大大提高，而且電池本身的容量增加了11%，而且在高充電率下放電時，電池的殼溫較低，通過與CNT企業提供的數據比較，發現石墨烯在高速率下的性能仍優于CNT，并觀察了電池溫度下降時的充電速率。當CNT用于交叉電流充電時，剩下的84%和石墨烯用于91%的電荷。由此可以看出，石墨烯具有更突出的優勢。

石墨烯使鋰鈷氧化物電池的壽命更長，電極更軟，壓實密度更高，批量試制了設計容量為1500 mAh的600個電池，循環性能得到了提高，具有較高的效率。

通過觀察石墨烯涂層鋁箔，我們可以發現涂層非常薄和明亮。這是我們為涂層開發的泥漿。通過與空白鋁箔涂層的對比，發現石墨烯涂層在電池設計容量上沒有損失，其速率性能明顯優于碳涂層。電阻穩定性一直保持在13.7。另外一些會發生變化，所以石墨烯的涂層很薄，當石墨烯用于鋰錳磷酸鹽電池時，涂層電池和未涂層電池的內阻差是1-2倍，至于涂層厚度是否薄，成本是否太高，我們的解決辦法是進一步改進配方和d引進新的涂裝設備。

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