我们距离石墨烯动力电池应用还有多久

电动汽车在国家政策的推动下开始加速发展，而对于刚刚接触纯电动汽车的消费者而言，最为关心的还是充电时间和续航里程的问题。但在目前的技术水平下，充电时间与续航里程往往难以兼得，一种更加专注于增加电池的能量，从而增加续航里程；而另一种则更加专注于改善动力电池的充电性能，以缩短电动汽车的充电时间。

影响动力电池充电速度的因素有哪些？

要说影响动力电池充电速度的因素，动力电池本身所使用的材料起到了至关重要的作用。充电时，锂离子需要加速瞬时嵌入到负极，这对动力电池负极快速接收锂离子的能力有着很大的挑战。因此，若要想提高动力电池的充电速度，其电池电极材料的应用成为了关键。

动力电池具备更高的充电速率，就意味着电极材质较为活跃，日常使用当中、特别是充电过程当中可能会带来更多的不稳定性以及更大的发热量。因此，通过改善电极材质达到提升充电速率的方式，会导致动力电池成本的直线上升。

既然充电是一个充电桩与电动汽车交互的行为，那么充电桩也会影响充电速度的快慢。因不同运营商的充电桩，能够输出的充电功率也不同。在动力电池能够兼容的情况下，更高的充电功率能够直接影响充电速度。

动力电池的充电、放电，实质上是一种化学反应，而化学反应在不同的环境温度下会呈现出不同的反应速度。动力电池低于理想使用温度时，低温会降低电极的活跃性，导致充电速度降低；而高于动力电池使用温度时，电极会过于活跃产生诸多不稳定的因素，存在一定风险。

实现动力电池快速充电新方向？

去年10月，东芝宣布成功研发新一代车用锂离子电池，有望在2019年商用。该电池正是采用了钛铌氧化物材料，相对目前三元、磷酸铁锂等技术，其实现了颠覆性进步。新电池具备能量密度高、充电效率快等优点，只需充电6分钟就能达到90%的电量，可行驶320公里。目前锂电池平均需30分钟才能充至80%电量。

石墨烯在锂电池的应用中，主要做负极活性材料和导电添加剂，可以大幅改善导电情况，降低内阻，提升放电及充电速率，容量更高。

近期，三星发布了一则报告称，目前已研发出了基于石墨烯材料的新电池技术，基于石墨烯材质所造的电池将会比目前市面上的普通电池高出45% 的容量，能够在提高容量的同时拥有比标准充电速度快5倍的充电速度。

但目前的科技水平，在石墨烯的提取过程中仍然存在着很多难题，并无法实现量产，提炼的过程当中也可能带俩很大的环境污染问题。因此，石墨烯动力电池若要实现应用还有很长的路要走。

迄今为止，石墨烯并没有“引发锂离子电池领域技术革命”。虽然相关研究声称取得了重要进展，但其通常没有明确的应用目标，使得石墨烯仅仅停留在学术研究领域；当下的研究常采用不合时宜的评价标准，与其他材料对比时使用的指标有失公允。研究通常关注质量比容量，然而石墨烯的多孔、低密度导致其体积比容量低，这在实际应用中更加重要，而研究者通常对此视而不见。文献通常将石墨烯的作用归因于其提高了电导率，然而石墨烯多孔的结构有利于锂离子传导，对这一问题的关注相当少，众多文献在对照组实验中也从来没考虑过这一问题。

对于新材料的研究通常使用半电池测试，其对电极为金属锂。然而，单电极的能量密度、功率密度的实际上是无意义的，且极具误导性。在半电池体系下，充放电电压和库仑效率是更重要的指标。对材料进行全电池测试，方能得到更加公允、可靠的评估结果。然而，在计算全电池的能量、功率时，文献通常只计算了两个电极的其中之一，导致数据虚高。此外，由于石墨烯具有多孔结构，需要加入更多的电解液以充分浸润，但是没人考虑过电解液添加量对能量密度的影响。

作者对相关文献的分析表明，目前最有效的策略是，石墨烯作为导电碳网络与电活性材料复合。通常石墨烯与高电压负极材料（TiO2，LTO）、锂脱出电位较低合金负极（Si，Ge）复合时性能比较好。而石墨烯与转换机理负极材料（金属氧化物如 Fe3O4）的复合效果通常不佳。在这些报道中，复合材料的制备方法非常重要，总体来说，一锅合成法等将石墨烯和电极材料紧密结合的方法比物理混合、机械混合效果更好。

单纯的石墨烯作为活性材料，石墨烯仅在几个特定的方面（低温性能、高功率输出等）优于商用石墨负极。（需要强调，在这方面应用的石墨烯是指多层石墨烯；单层和双层石墨烯无法作为锂离子电池负极活性物质。）石墨烯作为锂离子电池负极的劣势包括其较高的电位、储能效率低下、SEI膜形成过程中大量的不可逆容量。因此，石墨烯作为负极时必须做预锂化处理，这增加了电池制造难度。作者不看好预锂技术的商业化前景。

石墨烯制备方法多样（图3）。作者认为，液相剥离和CVD法制备的石墨烯比RGO效果更好，然而通常研究使用后者。此外，作者看好采用杂原子掺杂的策略改善石墨烯稳定性和提高锂离子电池容量。

以下是文章原图：

图1 石墨烯用于锂离子电池负极的相关文献统计

图2 典型的锂离子电池负极材料的充放电曲线

图3 文献中采用的石墨烯的种类

图4 历年来重要的研究发现

图5 历年来材料结构的发展