石墨烯一直以來被電動汽車行業寄予厚望。眾所周知，電動汽車電池容量較大，充電時間較長。如果有一款經濟實惠且耐用的快充電池提供給電動汽車，相信一定會為電動汽車開拓新的市場。那麼石墨烯能否能夠使得鋰離子電池的充電速度發生飛躍式的改進呢，我們從影響鋰離子電池的充放電倍率的因素聊聊。
鋰離子電池的充放電倍率
鋰離子電池的充放電倍率，決定了我們可以以多快的速度，將一定的能量存儲到電池裡面，或者以多快的速度，將電池裡面的能量釋放出來。
充放電倍率=充放電電流/額定容量
例如：額定容量為100Ah的電池用20A放電時，其放電倍率為0.2C。電池放電倍率，1C、2C、0.2C是電池放電速率。所用的容量1小時放電完畢，稱為1C放電；5小時放電完畢，則稱為1/5=0.2C放電。目前乘用車能承受的最大充放電倍率仍然不高，以特斯拉為例，大約為1.5C，國內的乘用車充電倍率一般都在0.5C、1C左右。
鋰離子電池的充放電倍率性能，與鋰離子在正負極、電解液、以及他們之間界面處的遷移能力直接相關，一切影響鋰離子遷移速度的因素，都會影響鋰離子電池的充放電倍率性能。此外，電池內部的散熱速率，也是影響倍率性能的一個重要因素，如果散熱速率慢，大倍率充放電時所積累的熱量無法傳遞出去，會嚴重影響鋰離子電池的安全性和壽命。
充放電倍率影響因素-正負極材料的鋰離子擴散能力
鋰離子在正、負極活性物質內部的脫嵌和嵌入的速率，也就是鋰離子從正、負極活性物質裡面跑出來的速度，或者從正、負極表面進入活性物質內部找個位置“安家”的速度到底有多快，這是影響充放電倍率的一個重要因素。
在正極材料處，我們希望極片要足夠的薄，也就是活性材料的厚度要小，這樣等於縮短了的距離，所以希望儘可能的提高正極材料壓實密度。在活性物質內部，要有足夠的孔間隙，給鋰離子留出比賽的通道，同時這些“跑道”分佈要均勻，不要有的地方有，有的地方沒有，這就要優化正極材料的結構，改變粒子之間的距離和結構，做到均勻分佈。以上兩點，其實是相互矛盾的，提高壓實密度，雖然厚度變薄，但是粒子間隙會變小，遷移跑道就會顯得擁擠，反之，保持一定的粒子間隙，不利於把材料做薄。所以需要尋找一個平衡點，以達到最佳的鋰離子遷移速率。此外，不同材料的正極物質，對鋰離子的擴散係數有顯著影響。因此，選擇鋰離子擴散係數比較高的正極材料，也是改善倍率性能的重要方向。
負極材料的處理思路與正極材料類似，也是主要從材料的結構、尺寸、厚度等方面著手，減小鋰離子在負極材料中的濃度差，改善鋰離子在負極材料中的擴散能力。
充放電倍率影響因素-電解質的鋰離子電導率
鋰離子在正/負極材料裡面玩的是賽跑，在電解質裡面的比賽項目卻是游泳。鋰離子要在正、負極之間來回穿梭，就如同在電解質和電池殼體所構成的“游泳池”裡面游泳，電解質的離子電導率如同水的阻力一樣，對鋰離子游泳的速度有非常大的影響。目前鋰離子電池所採用的有機電解質，不管是液體電解質，還是固體電解質，其離子電導率都不是很高。電解質的電阻成為整個電池電阻的重要組成部分，對鋰離子電池高倍率性能的影響不容忽視。
除了提高電解質的離子電導率之外，還需要著重關注電解質的化學穩定性和熱穩定性。在大倍率充放電時，電池的電化學窗口變化範圍非常寬，如果電解質的化學穩定性不好，容易在正極材料表面氧化分解，影響電解質的離子電導率。電解液的熱穩定性則對鋰離子電池的安全性和循環壽命有非常大的影響，因為電解質受熱分解時會產生很多氣體，一方面對電池安全構成隱患，另一方面有些氣體對負極表面的SEI膜產生破壞作用，影響其循環性能。
因此，選擇具有較高的鋰離子傳導能力、良好的化學穩定性和熱穩定性、且與電極材料匹配的電解質是提高鋰離子電池倍率性能的一個重要方向。
充放電倍率影響因素-電池內阻
電池裡涉及到幾種不同的物質和物質之間的界面，它們所形成的電阻值，都會對離子/電子的傳導產生影響。一般在正極活性物質內部會添加導電劑，從而降低活性物質之間、活性物質與正極基體/集流體的接觸電阻，改善正極材料的電導率(離子和電子電導率)，提升倍率性能。不同材料不同形狀的導電劑，都會對電池的內阻產生影響，進而影響其倍率性能。
正負極的集流體(極耳)是鋰離子電池與外界進行電能傳遞的載體，集流體的電阻值對電池的倍率性能也有很大的影響。因此，通過改變集流體的材質、尺寸大小、引出方式、連接工藝等，都可以改善鋰離子電池的倍率性能和循環壽命。電解質與正負極材料的浸潤程度，會影響電解質與電極界面處的接觸電阻，從而影響電池的倍率性能。電解質的總量、粘度、雜質含量、正負極材料的孔隙等，都會改變電解質與電極的接觸阻抗，是改善倍率性能的重要研究方向。
石墨烯在改善充放電倍率方面的應用
石墨烯用於導電添加劑降低電池內阻，現在鋰電常用的導電劑有導電炭黑、乙炔黑、科琴黑等，也有電池廠家在動力電池上開始使用碳纖維和碳納米管作為導電劑。石墨烯用作導電劑的原理是其二維高比表面積的特殊結構所帶來的優異的電子傳輸能力。
石墨烯用於負極材料，以碳基負極材料為例，近年來針對納米碳材料的研究，取代傳統的負極層狀結構，就可以顯著的改善負極材料的比表面積、內部結構和擴散通道，從而大幅度提升負極材料的倍率性能。
結論
從目前積累的測試數據來看，用於負極材料石墨烯與碳纖維、碳納米管在倍率性能方面都比導電炭黑都有一定提高，但這三者之間在電化學性能提升程度上的差異很小，石墨烯並未顯示出明顯的優勢。同時石墨烯用於導電添加劑也並無有效數據顯示石墨烯對提高電池快充性能有突破性的進展。
更多精彩文章，敬請關注 超天才網
旗下擁有天財評論、天才創業、天才AI等垂直板塊，主要以超天才思想和視角，為企業家、創業者、職業經理人等解讀全球財經事件，培育企業萌芽與發現併購商機，並以顧雛軍團隊的商業智慧，培養具有遠見卓識、能屹立於世界之林的企業家和職業經理人隊伍。
閱讀更多 超天才 的文章
