解读“万能材料”石墨烯 在电池上的应用真那么神奇？

石墨烯将很快攀升至高点，包括“十三五新材料规划”在内的一系列石墨烯产业支持政策预计将于2016年上半年出台。这些政策的核心是在“十三五”期间推动石墨烯行业关键技术的突破，并迅速实现工业化。

“十三五”期间，石墨烯产业将逐步形成电动汽车锂电池石墨烯基电极材料、海洋工程石墨烯基防腐涂料、柔性电子石墨烯薄膜和光电领域石墨烯基高性能热界面材料等四大产业集群。整个行业的产业规模预计将超过1000亿元。

事实上，石墨烯在过去几年里非常引人注目，关于石墨烯在能源中的应用，有无数的文献和专利。在权威的纳米技术网站上，石墨烯材料于2009年首次报道，在纳米技术网站的5篇文章中，石墨烯占了2篇：BETOF 2009，然后在2010年（2篇）、2012年（4篇）和2014年（1篇）。本网站上的Bestofyears和石墨烯都占据了空间，但2010年只有一份关于石墨烯超级电容器的报告与电池有关，其余都是石墨烯在导电性、透明度和电线方面的应用。

石墨烯用于锂离子电池、超级电容器、锂硫电池、燃料电池和太阳能电池是不争的事实。那么，为什么到目前为止，我们在市场上看不到任何实用的产品呢？石墨烯是目前世界上最薄、最硬的纳米材料，这是理所当然的。在室温下，其电子迁移率超过15000cm2/Vs，高于碳纳米管或硅晶体，而电阻率仅为10E-8Ωm，低于铜或银。它是世界上电阻率最低的材料。应用它的优秀特性是否有用？

对不起，事情进展不太顺利。在回答石墨烯如何突破现状，使能源产品尽快上市之前，我将以另一种方式澄清对石墨烯在能源中应用的一些误解。

首先，石墨烯电池能在10分钟内运行1000公里吗？

A： 我现在做不到。石墨烯聚合物电池的存储容量无法达到目前市场上最好产品的三倍。基于特斯拉的18650电池，电池容量为3.4Ah，电池容量需要由各种材料组成。即使使用最好的阳极材料和石墨烯，电池容量也无法达到10Ah。Plateau不适合取代石墨材料来取代锂离子电池的负极，因为它在石墨烯中的振实密度和压实密度非常低。

由于单独使用石墨烯作为负极是不可行的，因此至少可以开发石墨烯复合负极材料。目前，可靠的石墨烯阳极的容量可以达到540mAh/g（Honma，2008），其充放电曲线和循环寿命分析（如图1所示）。此外，通过在石墨烯工艺中对C60和CNT进行改性以形成复合材料，材料的电容可以分别增加730和784mAh/g，这也证明了碳材料可以在更大的层间距下具有更好的储能能力。

其次，石墨烯最有可能在锂离子电池中发挥作用的领域只有两个：直接用作负极材料和用作导电添加剂？

A： 现在下结论还为时过早。以下内容将告诉您当前的约束以及如何突破。请记住，石墨烯有600多种。石墨烯只与单层相遇，这是互联网上过时的信息。否则，欧盟怎么能同意这个数字呢？每一种石墨烯都有其适用范围。只要你有更多的石墨烯材料组合，就意味着你的成功率高于其他人。

第三，超级电容器中石墨烯最可能的特性是什么？

A： 与传统电容电极相比，石墨烯超级电容器具有四个特点：

1.表面积大，有利于产生高能量密度；

2.超高电导率有利于保持高功率密度；

3.丰富的化学结构有利于引入赝电容，提高能量密度；

4.特殊的电子结构可以优化结构与性能之间的关系。这些财产使其成为下一代电极材料的领导者。

我仍然乐观地认为超级电容器可以取代锂离子电池，但谁知道呢？我们正在努力将超级电容器的能量密度提高到接近锂离子电池的能量密度，但锂离子电池行业并非一蹴而就，这两种性能的提高都有其积极意义。

第四，石墨烯最有可能在太阳能电池中发挥作用的领域是什么？

A： 由西班牙Jaumel大学和英国牛津大学组成的光伏和光伏器件集团（DFO）的研究团队最近开发了一种光伏器件，使用石墨烯材料制成的太阳能电池，可以使太阳能电池的有效转化率达到15.6%。该团队的研究论文已发表在《纳米快报》杂志上。他们将二氧化钛和石墨烯结合作为电荷收集器。

然后他们使用钙钛矿作为太阳能吸收剂。该团队表示，除了提高太阳能的转化率外，该设备是在低温下制造的。通过嵌入几层材料，研究团队还可以使用基于解决方案的配置技术在150℃以下的温度下进行处理。这不仅意味着潜在的生产成本更低，还意味着这项技术可以用于柔性塑料。

第五，石墨烯最有可能在燃料电池中发挥作用的领域是什么？

A： Rao（2008）研究了石墨烯（3~4层）对氢气和二氧化碳的吸附性能。对于H2，在100bar和298K的条件下，最大含量可达3.1wt%；

是的，在1bar和195K的条件下，其吸附能力为21~35wt%。理论计算表明，如果使用单层石墨烯，其H2吸附能力可以达到7.7wt%，完全可以满足汽车氢能MOE（6wt%）的要求。

第六，中国中车的石墨烯超级电容器真的是一个突破吗？

答：根据公式1╱ 2*C*V2，公司3伏的势能╱ 12000法拉的超级电容器相当于54KJ，换算成15千瓦时，这并不超出当前的技术水平。一般18650电池的容量约为3100mAh，因此能量密度约为700Wh/L。如果超级电容器没有达到200kw/kg，就没有机会更换锂电池。

第七，是否存在所谓的“石墨烯电池”？

A： 所谓的石墨烯电池不是由石墨烯制成的，但电池的电极是由石墨烯组成的，所以不适合称之为“石墨烯电池”。石墨是目前锂离子电池中最常用的阳极材料。充电时，Li嵌入石墨层中，形成嵌入化合物。当Li完全嵌入时，每个石墨层嵌入一层Li，对应于化合物LiC6，理论比容量为372mAh╱ g.当每个单层石墨以无序的方式排列时，Li可以结合到单层石墨的两侧，并且理论比容量加倍，即744mAh╱ g.由于石墨烯的缺陷、薄片的边缘以及石墨烯堆积形成的微孔结构，Li可以被储存。因此，理论上，石墨烯电极的比容量可能是石墨的两倍以上。

如果石墨烯与SnO2、Mn3O4和CuO等低导电性的阳极和阴极纳米材料（如Li4Ti5O12、TiO2和LiFePO4）复合，可以提高锂离子电池的循环性能。中国科学院金属研究所在美国国家科学院院刊上发表了一篇论文。将正极材料LiFePO4和正极材料Li4Ti5O12分别与石墨烯复合，使用LiFePO4-石墨烯制备了高充放电速率的柔性锂离子电池╱Li4Ti5O12-石墨烯作为电极。石墨烯是锂离子和电子的通道，也是导电添加剂和集电器的作用。

第八，石墨烯如何在锂电池中用作导电添加剂和隔膜？

A： 1）导电添加剂：如果将石墨烯和炭黑混合作为导电添加剂添加到锂电池中，可以有效降低电池内阻，提高电池的倍率充放电性能和循环寿命，电池的弯曲对充放电性能没有影响。

2） 隔膜：大多数商用锂电池隔膜由PE、PP、其他聚烯烃及其混合物或共聚物通过干法或湿法工艺制成。在锂电池中，隔膜吸收电解质后，可以隔离阳极和阴极以防止短路，但同时也允许锂离子传导。但是，当过充电或温度升高时，隔膜应具有高温自闭性能，以阻断电流传导并防止爆炸。此外，该锂电池隔膜还具有强度高、防火、耐化学、耐酸碱腐蚀、生物相容性好、无等特点。我们正在通过静电纺丝用氧化石墨烯制造隔膜。在实际应用中，用作隔膜的聚合物的电阻率在10E12~10E14Ωcm的量级，值得一试。

第九，当石墨烯在2017年降至每公斤80美元时，说电池市场可以迅速引入应用是否正确？

A： 这个错误太离谱了。提出这一观点的人仍然停留在大规模生产能力等于成熟应用技术的神话中。我们的制备成本长期低于每公斤80美元，重点是满足应用技术的定制石墨烯。这些公司如何仅通过生产一两种石墨烯来实现能源工业？难怪他们自2009年以来一直在投资锂电池开发。

第十，华为手机产品线副总裁李昌柱在2015移动智能终端峰会上透露，2016年下半年有可能使用石墨烯电池技术。

A： 这很难。如果要公布电池技术，至少现在有样品可供测试。进一步观察手机工厂是否……

是否有创新的电池技术取决于它是否投资了电池工厂或购买了现成的电池技术。我接触过的大厂一般都是抱着闭门造车的心态，就是买石墨烯自己试，但石墨烯的知识太渊博了，一个渠道公司都能掌握。

在这篇文章中，让我们谈谈“锂离子电池”以及如何将石墨烯应用于其他类型的能源。只要反响好，我就会继续写下去。

在进入石墨烯在各种能源产品中的应用主题之前，让我们回顾一下2015年至2015年中国石墨烯锂电池的“旧闻”，并采用石墨烯触摸屏等新材料，由中国科学院重庆绿色智慧技术研究所和中国科学院宁波材料技术与工程研究所开发的电池和导热膜。手机的触摸屏真实、纯净、透明，手机的充电率提高了40%。由此可见，石墨烯制成的电极虽然大大提高了电池寿命和充电速度，但由于石墨烯本身的高比表面积，与目前锂离子电池行业的技术体系并不兼容，能量密度理论上并没有翻一番，仅增加了10%。

事实上，目前声称石墨烯电池/电容器的容量可以增加30%以上的信息是极其不可靠的，因为没有反应机制，没有具体的数据，也没有产品的测量分析结果。然而，我们只看到能量密度不能加倍的现象，因此断言比表面积等财产与现有技术体系“不兼容”太武断了。让我们回到我上一篇文章。氧化还原法的石墨烯材料只有两三种，但我们有200多种组合，包括多孔粉末和片状粉末。将使用哪些方法来改进锂电池？请记住，锂离子电池是一种“系统”解决方案，你不能孤立于单个组件进行思考。

最近六个月，一些专家提到了石墨烯难以应用于锂离子电池的几个原因，包括：

A、 成本问题。传统的导电炭黑和石墨按吨销售（每吨数万元）。按吨计算的石墨烯什么时候能降到这个价格？此时使用的材料是石墨微芯片（可能有几十层），它根本不是单层或多层石墨烯。

A： 目前，石墨烯的成本确实可以达到每吨10万元以上，层数不到六层。我们尝试了石墨烯：碳纳米管：炭黑在相同电导率下的渗滤阈值约为1:2:4，这表明石墨烯的性价比已经超过了导电炭黑。事实上，它能否取代导电炭黑并不是成本问题，而是石墨烯有机会比现有的规格更高。我在上一篇文章中提到，多层石墨烯比单层石墨烯更有用，因为需要形成导电网络。我们发现六到十层效果最好。

B、 工艺特性不兼容。也就是说，石墨烯的比表面积太大，这会给现有的锂离子电池带来很多工艺问题，如分散和均匀化。

A： 石墨烯在不同的工艺下具有不同的比表面积。例如，我们只得到20平方米╱g，但900平方米╱g通过低温处理。不要被2630平方米的理论比表面积所混淆╱ g.橡树岭国家实验室和Vorbeck的研究结果发现，石墨烯对浆料的工艺性能有非常负面的影响，这并不意味着石墨烯在其他工艺下会重现这种现象。事实上，问题仍然在于界面，专家无法否认，但你可能不明白，这种界面不是由石墨烯引起的，而是可以通过石墨烯-聚合物复合材料的制备过程来解决的。

C.如果使用石墨烯作为负极，理论上容量最多是石墨的两倍（720mAh/g），为什么不使用硅呢？

A： 到目前为止，这一点是正确的。然而，我们认为锂离子电池改进的重点不是负极材料，而是正极材料。我们希望改进正极、负极、隔膜和导电银……

t，然后从系统的角度选择最终的规范。也许我们最终会选择硅，但我们肯定会从硅/石墨烯复合材料的角度来做。不可能，我只能做石墨烯。

D.石墨烯可以作为导电剂促进快速充电和放电，理论上可以提高倍率性能，如果石墨烯膨胀并与电极活性材料复合，将阻断锂离子的扩散通道。石墨烯将很快攀升至高点，包括“十三五新材料规划”在内的一系列石墨烯产业支持政策预计将于2016年上半年出台。这些政策的核心是在“十三五”期间推动石墨烯行业关键技术的突破，并迅速实现工业化。

“十三五”期间，石墨烯产业将逐步形成电动汽车锂电池石墨烯基电极材料、海洋工程石墨烯基防腐涂料、柔性电子石墨烯薄膜和光电领域石墨烯基高性能热界面材料等四大产业集群。整个行业的产业规模预计将超过1000亿元。

事实上，石墨烯在过去几年里非常引人注目，关于石墨烯在能源中的应用，有无数的文献和专利。在权威的纳米技术网站上，石墨烯材料于2009年首次报道，在纳米技术网站的5篇文章中，石墨烯占了2篇：BETOF 2009，然后在2010年（2篇）、2012年（4篇）和2014年（1篇）。本网站上的Bestofyears和石墨烯都占据了空间，但2010年只有一份关于石墨烯超级电容器的报告与电池有关，其余都是石墨烯在导电性、透明度和电线方面的应用。

石墨烯用于锂离子电池、超级电容器、锂硫电池、燃料电池和太阳能电池是不争的事实。那么，为什么到目前为止，我们在市场上看不到任何实用的产品呢？石墨烯是目前世界上最薄、最硬的纳米材料，这是理所当然的。在室温下，其电子迁移率超过15000cm2/Vs，高于碳纳米管或硅晶体，而电阻率仅为10E-8Ωm，低于铜或银。它是世界上电阻率最低的材料。应用它的优秀特性是否有用？

对不起，事情进展不太顺利。在回答石墨烯如何突破现状，使能源产品尽快上市之前，我将以另一种方式澄清对石墨烯在能源中应用的一些误解。

首先，石墨烯电池能在10分钟内运行1000公里吗？

A： 我现在做不到。石墨烯聚合物电池的存储容量无法达到目前市场上最好产品的三倍。基于特斯拉的18650电池，电池容量为3.4Ah，电池容量需要由各种材料组成。即使使用最好的阳极材料和石墨烯，电池容量也无法达到10Ah。Plateau不适合取代石墨材料来取代锂离子电池的负极，因为它在石墨烯中的振实密度和压实密度非常低。

由于单独使用石墨烯作为负极是不可行的，因此至少可以开发石墨烯复合负极材料。目前，可靠的石墨烯阳极的容量可以达到540mAh/g（Honma，2008），其充放电曲线和循环寿命分析（如图1所示）。此外，通过在石墨烯工艺中对C60和CNT进行改性以形成复合材料，材料的电容可以分别增加730和784mAh/g，这也证明了碳材料可以在更大的层间距下具有更好的储能能力。

其次，石墨烯最有可能在锂离子电池中发挥作用的领域只有两个：直接用作负极材料和用作导电添加剂？

A： 现在下结论还为时过早。以下内容将告诉您当前的约束以及如何突破。请记住，石墨烯有600多种。石墨烯只与单层相遇，这是互联网上过时的信息。否则，欧盟怎么能同意这个数字呢？每一种石墨烯都有其适用范围。只要你有更多的石墨烯材料组合，就意味着你的成功率高于其他人。

第三，最可能的特征是什么……

石墨烯在超级电容器中的应用？

A： 与传统电容电极相比，石墨烯超级电容器具有四个特点：

1.表面积大，有利于产生高能量密度；

2.超高电导率有利于保持高功率密度；

3.丰富的化学结构有利于引入赝电容，提高能量密度；

4.特殊的电子结构可以优化结构与性能之间的关系。这些财产使其成为下一代电极材料的领导者。

我仍然乐观地认为超级电容器可以取代锂离子电池，但谁知道呢？我们正在努力将超级电容器的能量密度提高到接近锂离子电池的能量密度，但锂离子电池行业并非一蹴而就，这两种性能的提高都有其积极意义。

第四，石墨烯最有可能在太阳能电池中发挥作用的领域是什么？

A： 由西班牙Jaumel大学和英国牛津大学组成的光伏和光伏器件集团（DFO）的研究团队最近开发了一种光伏器件，使用石墨烯材料制成的太阳能电池，可以使太阳能电池的有效转化率达到15.6%。该团队的研究论文已发表在《纳米快报》杂志上。他们将二氧化钛和石墨烯结合作为电荷收集器。

然后他们使用钙钛矿作为太阳能吸收剂。该团队表示，除了提高太阳能的转化率外，该设备是在低温下制造的。通过嵌入几层材料，研究团队还可以使用基于解决方案的配置技术在150℃以下的温度下进行处理。这不仅意味着潜在的生产成本更低，还意味着这项技术可以用于柔性塑料。

第五，石墨烯最有可能在燃料电池中发挥作用的领域是什么？

A： Rao（2008）研究了石墨烯（3~4层）对氢气和二氧化碳的吸附性能。对于H2，在100bar和298K的条件下，最大含量可达3.1wt%；

是的，在1bar和195K的条件下，其吸附能力为21~35wt%。理论计算表明，如果使用单层石墨烯，其H2吸附能力可以达到7.7wt%，完全可以满足汽车氢能MOE（6wt%）的要求。

第六，中国中车的石墨烯超级电容器真的是一个突破吗？

答：根据公式1╱ 2*C*V2，公司3伏的势能╱ 12000法拉的超级电容器相当于54KJ，换算成15千瓦时，这并不超出当前的技术水平。一般18650电池的容量约为3100mAh，因此能量密度约为700Wh/L。如果超级电容器没有达到200kw/kg，就没有机会更换锂电池。

第七，是否存在所谓的“石墨烯电池”？

A： 所谓的石墨烯电池不是由石墨烯制成的，但电池的电极是由石墨烯组成的，所以不适合称之为“石墨烯电池”。石墨是目前锂离子电池中最常用的阳极材料。充电时，Li嵌入石墨层中，形成嵌入化合物。当Li完全嵌入时，每个石墨层嵌入一层Li，对应于化合物LiC6，理论比容量为372mAh╱ g.当每个单层石墨以无序的方式排列时，Li可以结合到单层石墨的两侧，并且理论比容量加倍，即744mAh╱ g.由于石墨烯的缺陷、薄片的边缘以及石墨烯堆积形成的微孔结构，Li可以被储存。因此，理论上，石墨烯电极的比容量可能是石墨的两倍以上。

如果石墨烯与SnO2、Mn3O4和CuO等低导电性的阳极和阴极纳米材料（如Li4Ti5O12、TiO2和LiFePO4）复合，可以提高锂离子电池的循环性能。中国科学院金属研究所在美国国家科学院院刊上发表了一篇论文。将正极材料LiFePO4和正极材料Li4Ti5O12分别与石墨烯复合，使用LiFePO4-石墨烯制备了高充放电速率的柔性锂离子电池╱Li4Ti5O12-石墨烯作为电极。石墨烯是锂离子和电子的通道，也是导电添加剂和集电器的作用。

第八，石墨烯如何在锂电池中用作导电添加剂和隔膜？

A： 1）导电添加剂：如果将石墨烯和炭黑混合作为导电添加剂添加到锂电池中，可以有效降低电池内阻，提高电池的倍率充放电性能和循环寿命，电池的弯曲对充放电性能没有影响。

2） 隔膜：大多数商用锂电池隔膜由PE、PP、其他聚烯烃及其混合物或共聚物通过干法或湿法工艺制成。在锂电池中，隔膜吸收电解质后，可以隔离阳极和阴极以防止短路，但同时也允许锂离子传导。但是，当过充电或温度升高时，隔膜应具有高温自闭性能，以阻断电流传导并防止爆炸。此外，该锂电池隔膜还具有强度高、防火、耐化学、耐酸碱腐蚀、生物相容性好、无等特点。我们正在通过静电纺丝用氧化石墨烯制造隔膜。在实际应用中，用作隔膜的聚合物的电阻率在10E12~10E14Ωcm的量级，值得一试。

第九，当石墨烯在2017年降至每公斤80美元时，说电池市场可以迅速引入应用是否正确？

A： 这个错误太离谱了。提出这一观点的人仍然停留在大规模生产能力等于成熟应用技术的神话中。我们的制备成本长期低于每公斤80美元，重点是满足应用技术的定制石墨烯。这些公司如何仅通过生产一两种石墨烯来实现能源工业？难怪他们自2009年以来一直在投资锂电池开发。

第十，华为手机产品线副总裁李昌柱在2015移动智能终端峰会上透露，2016年下半年有可能使用石墨烯电池技术。

A： 这很难。如果要公布电池技术，至少现在有样品可供测试。进一步观察手机工厂是否……

是否有创新的电池技术取决于它是否投资了电池工厂或购买了现成的电池技术。我接触过的大厂一般都是抱着闭门造车的心态，就是买石墨烯自己试，但石墨烯的知识太渊博了，一个渠道公司都能掌握。

在这篇文章中，让我们谈谈“锂离子电池”以及如何将石墨烯应用于其他类型的能源。只要反响好，我就会继续写下去。

在进入石墨烯在各种能源产品中的应用主题之前，让我们回顾一下2015年至2015年中国石墨烯锂电池的“旧闻”，并采用石墨烯触摸屏等新材料，由中国科学院重庆绿色智慧技术研究所和中国科学院宁波材料技术与工程研究所开发的电池和导热膜。手机的触摸屏真实、纯净、透明，手机的充电率提高了40%。由此可见，石墨烯制成的电极虽然大大提高了电池寿命和充电速度，但由于石墨烯本身的高比表面积，与目前锂离子电池行业的技术体系并不兼容，能量密度理论上并没有翻一番，仅增加了10%。

事实上，目前声称石墨烯电池/电容器的容量可以增加30%以上的信息是极其不可靠的，因为没有反应机制，没有具体的数据，也没有产品的测量分析结果。然而，我们只看到能量密度不能加倍的现象，因此断言比表面积等财产与现有技术体系“不兼容”太武断了。让我们回到我上一篇文章。氧化还原法的石墨烯材料只有两三种，但我们有200多种组合，包括多孔粉末和片状粉末。将使用哪些方法来改进锂电池？请记住，锂离子电池是一种“系统”解决方案，你不能孤立于单个组件进行思考。

最近六个月，一些专家提到了石墨烯难以应用于锂离子电池的几个原因，包括：

A、 成本问题。传统的导电炭黑和石墨按吨销售（每吨数万元）。按吨计算的石墨烯什么时候能降到这个价格？此时使用的材料是石墨微芯片（可能有几十层），它根本不是单层或多层石墨烯。

A： 目前，石墨烯的成本确实可以达到每吨10万元以上，层数不到六层。我们尝试了石墨烯：碳纳米管：炭黑在相同电导率下的渗滤阈值约为1:2:4，这表明石墨烯的性价比已经超过了导电炭黑。事实上，它能否取代导电炭黑并不是成本问题，而是石墨烯有机会比现有的规格更高。我在上一篇文章中提到，多层石墨烯比单层石墨烯更有用，因为需要形成导电网络。我们发现六到十层效果最好。

B、 工艺特性不兼容。也就是说，石墨烯的比表面积太大，这会给现有的锂离子电池带来很多工艺问题，如分散和均匀化。

A： 石墨烯在不同的工艺下具有不同的比表面积。例如，我们只得到20平方米╱g，但900平方米╱g通过低温处理。不要被2630平方米的理论比表面积所混淆╱ g.橡树岭国家实验室和Vorbeck的研究结果发现，石墨烯对浆料的工艺性能有非常负面的影响，这并不意味着石墨烯在其他工艺下会重现这种现象。事实上，问题仍然在于界面，专家无法否认，但你可能不明白，这种界面不是由石墨烯引起的，而是可以通过石墨烯-聚合物复合材料的制备过程来解决的。

C.如果使用石墨烯作为负极，理论上容量最多是石墨的两倍（720mAh/g），为什么不使用硅呢？

A： 到目前为止，这一点是正确的。然而，我们认为锂离子电池改进的重点不是负极材料，而是正极材料。我们希望改进正极、负极、隔膜和导电银……

t，然后从系统的角度选择最终的规范。也许我们最终会选择硅，但我们肯定会从硅/石墨烯复合材料的角度来做。不可能，我只能做石墨烯。

D.石墨烯可以作为导电剂促进快速充电和放电，理论上可以提高倍率性能，如果石墨烯膨胀并与电极活性材料复合，将阻断锂离子的扩散通道。A： 我说过石墨烯不会单独存在，而是必须以复合材料的形式出现，甚至是正极、负极和隔膜。最近，思考锂离子吸附和解吸的机制，甚至想使用3D结构的石墨烯，包括气凝胶或泡沫，也是如此。扩散通道的解决并不困难。

然后，我们将讨论如何应用各种石墨烯来提高锂离子电池的能量密度。首先需要注意的是，我们仍在寻找后端电池模块工厂，如果没有模块工厂或系统工厂的合作开发，这项商业化工作也是徒劳的。其次，我们在实验室中对不同的石墨烯进行了一些改进，有些人仍在考虑替代品。以下想法不仅是为了我们自己的指导，也是为了我们希望从事石墨烯在电力领域应用的同事提供参考。

我们都知道，有以下方法可以提高锂离子电池的能量密度：

1.增加正极活性物质的比例：锂离子可以穿过隔膜到达负极作为能量载体参与反应，但正极中锂离子的比例不到1%，其余为氧化锂，因此必须增加正极活性材料的比例。

2.增加负极活性材料的比例：为了应对正极中锂离子浓度的增加，避免不可逆的化学反应和能量密度衰减。

3.提高阴极材料的反应性：增加阴极锂离子参与负化学反应的比例，但阴极活性材料的比例有上限，因此研究新的阴极材料是提高材料反应性的一种方法。

4.提高阳极材料的反应性：这不是主要的解决方案，但它会降低阳极材料的质量，这些材料大多是石墨，可以改为新的阳极材料或碳纳米管来提高反应效率。

5.减少其他部件的重量以提高效率。

关于提高充放电速率的方法，它是：

1.提高正负离子的扩散能力：正负活性材料都尽可能薄，活性材料中有足够均匀的孔隙，有利于离子的通过。

2.提高电解质的离子导电性：加快锂离子在阳极和阴极之间的交换。

3.降低电池的内阻。

在这种情况下，我们从系统的角度决定改进顺序：正极→ 负极→ 膈膜→ 导电剂。

作为阴极材料，需要大容量和优异的循环特性。为了使电池快速充电和放电，可以采取方法提高活性材料的电子导电性和离子导电性，缩短导电距离。Zhou（2011）将石墨烯添加到LiFePO4/C复合材料中，即将磷酸铁锂正极材料放入氧化石墨烯溶液中，然后与喷雾造粒相结合，合成微米级的二次颗粒。从微观角度来看，石墨烯均匀地涂覆在磷酸铁锂材料表面，电学比较结果表明，石墨烯的加入可以显著提高磷酸铁锂正极材料的稳定性和大电流充放电性能（如图2所示）。

关于负极材料，Chou（2010）将高容量纳米硅负极（40nm）和具有柔软特性的石墨烯以摩尔比1:1的比例结合在一起，并将其电极板的表面形态（如图3所示）、纳米硅和石墨烯均匀混合在一起。在循环寿命性能方面，与纯纳米硅相比，硅/石墨烯复合材料的循环寿命可以显著提高。在30次循环之后，电容性能仍然是1300mAh/g。……

交流阻抗分析结果还表明，与纳米硅相比，硅/石墨烯复合材料的阻抗可以降低到40Ω，有望改善该材料的快速充电特性。

在锂电池充电过程中，活性锂会不均匀地沉积在负极金属锂箔表面，重复循环后会形成锂枝晶。枝晶的生长方向不断地从界面（电解质/电极）延伸到正极。锂沉积在隔膜和负极的接触位置，生长方向是沿着从负极到隔膜再到正极的方向，因此反应发生在负极和电解质之间的“界面”。使用氧化石墨烯来改善隔膜的界面粗糙度也是解决枝晶问题的对策之一。

大多数正极活性材料是过渡金属氧化物或过渡金属磷酸盐，它们是半导体或绝缘体，导电性差。必须添加导电剂以提高导电性。负极石墨材料的导电性略好，但石墨材料的膨胀和收缩使石墨颗粒之间的接触减少，间隙增加，甚至一些石墨颗粒离开集电体，成为死活性材料，不再参与电极反应。因此，有必要添加导电剂以在循环期间保持负极材料的导电性稳定。当导电剂作用在LiFePO4颗粒之间时╱C材料，其导电效果在很大程度上取决于颗粒的大小和与活性物质的接触方式。这一点在选择石墨烯时只需要考虑颗粒尺寸。

在这里，你可以看到我在四种类型的组件上使用了四种工艺，每个工艺都参考了相关文献，并且至少定制了一种石墨烯材料。这是我反复倡导的从应用技术上扭转石墨烯材料组合的概念，也是使用氧化还原法等单一工艺无法取得进展的主要原因。

我经常说，“与其开始，不如坐下来谈谈。”以下是我对石墨烯在能源中应用的看法：

首先，石墨烯作为一种重要的新材料，在智能手机、新型显示器、锂离子电池、太阳能光伏等电子信息产业的许多重要领域都有着广阔的应用前景。目前，石墨烯材料仍处于工业化应用的早期阶段，在这些领域的大规模应用还需要做大量工作。

第二，石墨烯材料在新一代信息技术产业中的大规模应用应与下游需求紧密结合，注重材料研发、产品设计、制备技术等环节的统筹，构建新的产业生态模式，打造需求驱动型，同步研发，紧密耦合产业发展模式，推动石墨烯材料在新一代能源技术中的早期应用。A： 我说过石墨烯不会单独存在，而是必须以复合材料的形式出现，甚至是正极、负极和隔膜。最近，思考锂离子吸附和解吸的机制，甚至想使用3D结构的石墨烯，包括气凝胶或泡沫，也是如此。扩散通道的解决并不困难。

然后，我们将讨论如何应用各种石墨烯来提高锂离子电池的能量密度。首先需要注意的是，我们仍在寻找后端电池模块工厂，如果没有模块工厂或系统工厂的合作开发，这项商业化工作也是徒劳的。其次，我们在实验室中对不同的石墨烯进行了一些改进，有些人仍在考虑替代品。以下想法不仅是为了我们自己的指导，也是为了我们希望从事石墨烯在电力领域应用的同事提供参考。

我们都知道，有以下方法可以提高锂离子电池的能量密度：

1.增加正极活性材料的比例：锂离子可以穿过隔膜到达负极，作为能量载体参与反应，但正极中锂离子的比例不到1%，其余为锂……

氧化物，因此必须增加正极活性材料的比例。

2.增加负极活性材料的比例：为了应对正极中锂离子浓度的增加，避免不可逆的化学反应和能量密度衰减。

3.提高阴极材料的反应性：增加阴极锂离子参与负化学反应的比例，但阴极活性材料的比例有上限，因此研究新的阴极材料是提高材料反应性的一种方法。

4.提高阳极材料的反应性：这不是主要的解决方案，但它会降低阳极材料的质量，这些材料大多是石墨，可以改为新的阳极材料或碳纳米管来提高反应效率。

5.减少其他部件的重量以提高效率。

关于提高充放电速率的方法，它是：

1.提高正负离子的扩散能力：正负活性材料都尽可能薄，活性材料中有足够均匀的孔隙，有利于离子的通过。

2.提高电解质的离子导电性：加快锂离子在阳极和阴极之间的交换。

3.降低电池的内阻。

在这种情况下，我们从系统的角度决定改进顺序：正极→ 负极→ 膈膜→ 导电剂。

作为阴极材料，需要大容量和优异的循环特性。为了使电池快速充电和放电，可以采取方法提高活性材料的电子导电性和离子导电性，缩短导电距离。Zhou（2011）将石墨烯添加到LiFePO4/C复合材料中，即将磷酸铁锂正极材料放入氧化石墨烯溶液中，然后与喷雾造粒相结合，合成微米级的二次颗粒。从微观角度来看，石墨烯均匀地涂覆在磷酸铁锂材料表面，电学比较结果表明，石墨烯的加入可以显著提高磷酸铁锂正极材料的稳定性和大电流充放电性能（如图2所示）。

关于负极材料，Chou（2010）将高容量纳米硅负极（40nm）和具有柔软特性的石墨烯以摩尔比1:1的比例结合在一起，并将其电极板的表面形态（如图3所示）、纳米硅和石墨烯均匀混合在一起。在循环寿命性能方面，与纯纳米硅相比，硅/石墨烯复合材料的循环寿命可以显著提高。在30次循环之后，电容性能仍然是1300mAh/g。交流阻抗分析结果还表明，与纳米硅相比，硅/石墨烯复合材料的阻抗可以降低到40Ω，有望改善这种材料的快速充电特性。

在锂电池充电过程中，活性锂会不均匀地沉积在负极金属锂箔表面，重复循环后会形成锂枝晶。枝晶的生长方向不断地从界面（电解质/电极）延伸到正极。锂沉积在隔膜和负极的接触位置，生长方向是沿着从负极到隔膜再到正极的方向，因此反应发生在负极和电解质之间的“界面”。使用氧化石墨烯来改善隔膜的界面粗糙度也是解决枝晶问题的对策之一。

大多数正极活性材料是过渡金属氧化物或过渡金属磷酸盐，它们是半导体或绝缘体，导电性差。必须添加导电剂以提高导电性。负极石墨材料的导电性略好，但石墨材料的膨胀和收缩使石墨颗粒之间的接触减少，间隙增加，甚至一些石墨颗粒离开集电体，成为死活性材料，不再参与电极反应。因此，有必要添加导电剂以在循环期间保持负极材料的导电性稳定。当导电剂作用在LiFePO4颗粒之间时╱C材料，其导电效果在很大程度上取决于颗粒的大小和与活性物质的接触方式。这一点只有n……

ds在选择石墨烯时要考虑颗粒尺寸。

在这里，你可以看到我在四种类型的组件上使用了四种工艺，每个工艺都参考了相关文献，并且至少定制了一种石墨烯材料。这是我反复倡导的从应用技术上扭转石墨烯材料组合的概念，也是使用氧化还原法等单一工艺无法取得进展的主要原因。

我经常说，“与其开始，不如坐下来谈谈。”以下是我对石墨烯在能源中应用的看法：

首先，石墨烯作为一种重要的新材料，在智能手机、新型显示器、锂离子电池、太阳能光伏等电子信息产业的许多重要领域都有着广阔的应用前景。目前，石墨烯材料仍处于工业化应用的早期阶段，在这些领域的大规模应用还需要做大量工作。

第二，石墨烯材料在新一代信息技术产业中的大规模应用应与下游需求紧密结合，注重材料研发、产品设计、制备技术等环节的统筹，构建新的产业生态模式，打造需求驱动型，同步研发，紧密耦合产业发展模式，推动石墨烯材料在新一代能源技术中的早期应用。

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