简析锂离子电池负极材料：石墨与石墨烯

图1改性天然石墨

据媒体预计，今年随着电动汽车的蓬勃发展，锂离子电池需求激增，将带动下游的石墨产业。尽管石墨的价格和销量一直不见起色，但投机者依旧看好石墨需求趋紧的前景。

石墨是碳的一种同素异形体，二者紧密相关。同素异形体是指同一元素组成的不同结构的单质。石墨是碳元素最稳定的存在形式。（金刚石是碳的一种亚稳态同素异形体，虽然它的硬度远远高于石墨，是自然界中硬度最高的物质，但它的稳定性却低于石墨。）

“石墨”一词来源于希腊语“graphein”，该材料耐高温，耐腐蚀，具有良好的导电性、导热性和稳定的化学性能，同时比铝要轻。除了用作锂离子电池的负极材料外，优质的石墨还可用于燃料电池、太阳能电池、半导体、发光二极管以及核反应堆等不同领域。

碳纤维是一种由碳原子键合形成的微晶材料，直径只有5-10μm，大约是人体头发丝直径的十分之一，但其强度却非常高。碳碳键像编织衣物一样沿着聚合物基体成键，碳纤维强度强于钢丝却比钢丝更轻。碳纤维材料常用于高尔夫球杆，自行车架，并有望取代铝，用于汽车和飞机的结构架，例如波音787和空客350X中都使用了大量的碳纤维材料。

目前，石墨材料仅占全球电池需求量的5%。人们有两种方式获取石墨：一是天然矿石，二是煤焦油的合成。而锂离子电池使用的石墨材料一般是由55%的合成石墨与45%低纯度的天然石墨调和制备的。

生产厂家曾经一度青睐合成石墨，因为合成石墨的均一性和纯度要优于天然石墨。现在情况却有了转变，现代化学提纯方法的应用使得经热处理可获得99.9%纯度的天然石墨，相比之下，合成石墨的纯度为99%，因而前者更受欢迎。

与合成石墨相比，经过提纯的天然片状石墨有更高的结晶度，表现出更好的导电性和导热性。此外，天然石墨有望降低锂离子电池的生产成本，同时还能获得同等甚至更优异的电池性能。现在用于锂离子电池的合成石墨的售价为每吨10，000美元，而通过天然石墨薄片加工的的球形石墨售价仅为每吨7，000美元（2015年价格），未加工处理的天然石墨还要便宜。

可以预计的是合成石墨终将被替代，未来属于更便宜更环保的天然石墨，而以天然石墨为原料合成的石墨烯，则是科学家们为我们绘制的另一番蓝图。

石墨烯

图2石墨烯锂离子电池示意图

石墨烯是碳的另一种同素异形体，是一种六角形晶格结构的平面薄膜，它仅一个碳原子层厚度，具有柔韧、透明、不透水的特点，比钻石还要坚硬而且比黄金更容易导电，每个碳原子周围有三个电子，并与最近邻原子的电子，形成化学键。专家认为，石墨烯这种神奇的材料可用于包括电池在内的多种产品。

用作锂离子电池负极材料时，石墨烯的电化学储能性能优于石墨，而且其充电速度比石墨快十倍，有望实现快速充电，此外，锂离子电池的负载能力也会得到提升。

对于传统的石墨负极，锂离子会沉积在负极表面形成枝晶。石墨烯却完美地解决这一问题，使得锂离子可以通过表面10-20nm的微小孔洞在石墨烯片间很好地存储，同时实现快速充电和能量的最佳存储。一旦实现应用，这样的电池估计可以存储10倍于普通石墨负极的能量。

石墨烯还可以掺入氧化钒中来提高正极材料的电化学性能。实验研究表明，这种改性后的正极材料组装的电池能够在20秒内完成充电，而且循环1000次后容量保持率高达90%。石墨烯也被用于超级电容器、太阳能电池的研究，希望以此提高比能量密度。图3为扫描探针显微镜（SPM）下石墨烯独特的晶格图像。

图3 扫描探针显微镜（SPM）下的石墨烯图像

石墨烯的优异性在学术界已被争论了几十年，但目前这种优异性依旧没有步入商业化生产，神奇的是，几个世纪以来我们一直在铅笔以及其他产品中不经意间使用石墨烯。我们也许只有更好地探索石墨烯的机理和结构，才能早日实现它的广泛应用。