石墨烯在電池中的應用技術說明及簡介

（1）石墨烯導電導熱劑（油性）
1、固含量：4.97±0.04%；
2、分散劑含量：1.06±0.04%；所采用的分散劑為PVDF，型號為HSV900；
3、導電劑含量：3.91±0.08%
4、雜質含量：
     Fe含量：23.1-24.3ppm
     Cu含量：ND（未檢出）
     Zn含量：2.1-2.2ppm；
     Ni含量：2.2-2.4ppm
     Cr含量：3.7-4.1ppm
     Co含量：ND
5、粘度：1088mPa*s
6、粒度測試：d10=5.52，d50=6.88，d90=8.57
在乙醇中檢測結果為：
 

7、篩余物測試：100%過篩
8、比表面積測試：214.17m2/g
9、厚度測量：3-5nm

由下圖可以看出，石墨烯的厚度在3.6-5.2nm之間，可以比較清晰的看到其是由10層的石墨烯組成，其層間距0.44nm，比傳統的石墨烯0.335nm要大一些。這是因為我們的生產工藝是采用爆炸法，所以將石墨層間振開導致。
 

10、石墨烯的微觀結構觀察

石墨烯已經非常薄了，在20KV的電子槍下基本屬于透明狀態。

圖中是一片豎立的石墨烯，根據標尺，其厚度在4-5nm左右。

減少放大倍數，石墨烯的片徑比較均勻，并沒有特別小的薄片。

繼續減小放大倍數，可知石墨烯的片徑分布比較窄，絕大部分在10微米以下。

這是另外選取的一個非常平整的一個視角，由上圖可以看出，石墨烯的邊緣也是非常薄，在4-5nm，也呈“透明”狀。

減少放大倍數，石墨烯形成一個平整面，呈不規則形狀，片徑沒有1微米以下的。

繼續減少放大倍數，由于石墨烯很薄，呈“透明云霧”狀，片徑大小來看，全部在10微米以下。

11、拉曼光譜

從拉曼光譜來看，ID/IG=9.87%說明這種石墨烯的缺陷很少，晶形結構完整，氧含量低。這有利于石墨烯的提高導電性。
 

12、 導電性：用量為磷酸鐵鋰2.5%時，其膜層電阻率為3.51-4.08Ωcm。
（2）石墨烯微片導電導熱劑（水性）
1、外觀：灰色粘稠懸浮液，有乙醇味道
2、固含量：3.80±0.1%；
3、分散劑含量：0.05±0.01%；
4、石墨烯微片（導電劑）含量：3.75±0.05%；
5、雜質含量：Fe：24-28ppm，Cu：2-3ppm，Zn：未檢出（小于0.1ppm），Cr：2-3ppm，Mn：4-5ppm；Co：未檢出（小于0.1ppm）；
6、粘度： 525-640mPa*s；
7、粒度：D10：3.74微米，D50：6.93微米，D90：11.17微米；比表面積149.7m2/g；
8、石墨烯微片厚度：10-15nm；片徑5-15微米
9、過篩率：100%過200目篩網；
10、分散體系：13%乙醇+87%去離子水；
有效期：25℃，12個月；長時間不使用，使用前應適當攪拌。
 

（1） 拉曼光譜

（2）掃描電鏡

（3）石墨烯微片水性漿料，涂碳鋁箔專用

1、外觀：灰黑色粘稠懸濁液，略有乙醇的氣味
2、固含量：10.20±0.3%；
3、分散劑含量：0.8±0.1%；分散劑為PEG-4000；
4、石墨烯微片（導電劑）含量：9.40±0.3%；
5、雜質含量：Fe：34-41ppm，Cu：5-7ppm，Zn：未檢出（小于0.1ppm），Cr：未檢出；Co：未檢出（小于0.1ppm），Mn：6-9ppm；雜質含量按照石墨烯微片干粉計算；
6、粘度：910-940mPs,（176s-1）；
7、粒度：D10=2.959um，D50=16.41um，D84=59.37um；比表面積0.32m2/g；
8、石墨烯微片的片徑14-30um；
9、過篩率：100%過100目聚丙烯濾網；
分散體系：10%乙醇水溶液；

石墨烯及石墨烯微片的具體應用實例

圖1是將石墨烯微片應用于鋰離子電池負極組裝的半電池循環情況，其中石墨負極﹕石墨烯微片﹕粘結劑﹕增稠劑=86﹕7﹕4.5﹕2.5，圖2是用該負極與商業磷酸亞鐵鋰正極組成全電池的倍率放電性能，正極配比為磷酸亞鐵鋰﹕導電碳﹕粘結劑=10﹕1﹕1（前3個化成周期不計入，每個倍率20個循環）。由圖12可知，添加了石墨烯微片的負極，其前5個周期平均容量高達369.4mAh/g，經過140個循環石墨，容量仍然保持在358.6mAh/g，容量保持率97%。圖2可以看出，將加入石墨烯微片作為導電劑的負極與磷酸鐵鋰組成全電池后，其5C放電容量高達201.5mAh/g（按照負極計算），與0.1C時容量為320.3，容量保持率62.9%，而且倍率放電實驗結束后再次恢復到0.1C充放電時，其容量仍然高達308.8 mAh/g，容量保持率為96.4%。

圖2 負極與商業磷酸亞鐵鋰正極組成全電池的倍率放電性能

同樣，石墨烯微片在鋰離子電池正極中也得到了廣泛應用。石墨烯微片在鋰離子電池中主要充當導電劑和導熱劑的作用，其優點如下：

（1）對于燒結法制備的鎳鈷錳（1﹕1﹕1）三元材料，水性體系漿料，涂布在鋁箔上，添加2%（wt）的石墨烯微片，其電導率為0.10S/cm～0.12S/cm，是相同用量下國產導電炭黑3倍多；比美國卡博特公司的V-72R（0.15 S/cm）低一些，與瑞士K-6科琴黑超級碳（0.09S/cm）高一些。但是我們具有比較明顯的價格優勢，而且使用方便，分散均勻。將石墨烯微片應用于高電壓的鎳錳酸鋰（LiNi0.5Mn1.5O4）正極材料的導電劑，也得到了很好的效果；

（2）倍率放電性能得到提高：圖3是石墨烯微片應用于三元材料的電池倍率性能，0.1C時放電容量165.8 mAh/g，1C放電容量仍然能達到123.9 mAh/g，容量保持率74.7%，5C放電容量高達108.3mAh/g，容量保持率65.3%；這意味著電池可以10分鐘即可充入或者放出60%的電量，已經與汽車加油時間差不多了；尤其適合于混合動力汽車或者城市內交通工具； 圖4是石墨烯微片應用于LiNi0.5Mn1.5O4的電池倍率性能，負極均采用上述石墨負極，同樣5C充放電容量高達85.7 mAh/g，與0.1C的128.9 mAh/g容量相比，容量保持率66.5%。這說明了石墨烯微片也可以應用于正極導電劑，而且適用于目前絕大部分正極材料。
 

圖3 石墨負極與商業三元正極組成全電池的倍率放電性能

圖4 石墨負極與LiNi0.5Mn1.5O4正極組成全電池的倍率放電性能