石墨烯在锂电池行业应用发展浅析

锂电池行业发展概况

一、锂电池简介

图烯下游应用产品属的加工、保存、使用，对环境要求非常高。所以，锂离子电池通常采用碳素材料作为负极，以含锂的化合物为正极，在电池充电的过程中，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极，同时嵌入负极的碳层微孔中，嵌入的锂离子越多，充电的容量越高（如图1-1）。不过对用户来说，锂离子电池的续航能力弱、容量偏小都是问题。在锂电池开始遭遇此类尴尬的时候，石墨烯的出现似乎是缓解危机的一大良方。

图1-1锂电池的工作原理

二、市场格局

日本是最早实现锂电池商用化的国家，在2000年以前，全球锂电的生产基本被日本垄断。但随着中国、韩国锂电池制造技术的开发和提升，日本锂电池出货量的比例在逐渐降低，而中国和韩国锂电池出货量的比例在逐渐增加。图1-2是2014年全球锂电池市场份额情况，从图中我们可以看出现在全球锂离子电池市场呈现中、日、韩三足鼎立的局面。

图1-2 2014年全球锂电池市场份额情况

来源：赛迪智库

三、市场规模

从全球范围来看，锂电池主要应用在电动车、智能电子设备等领域，这两个领域所占总行业的比重分别达到了24.8%和66.1%。

2012年，全球电动车市场规模为21亿美元。2013年，在特斯拉、宝马、丰田等新能源汽车带动下电动车用锂电池的市场规模增速达到90%，预计这种高速增长会一直持续到2018年，2020年电动车用锂电池市场规模有望达到351亿美元。

在智能电子设备行业，由于智能手机、相机、游戏机等电子产品的普及和更新换代，目前智能电子设备用锂电池市场规模为173亿美元，自2010年以来保持20%左右的增速。预计到2020年，智能电子设备对锂电池的需求量将达到541亿美元。

从锂电池市场结构来看，锂电池未来的重点应用领域将集中在电动工具、轻型电动车、新能源汽车和能源存储系统等功率/能量型领域，该领域内的产业规模将在未来几年保持成倍的增长趋势，而传统的消费性电子产品用锂电池产业规模将保持现有的速度平稳的增长。

石墨烯锂电池行业的应用情况

将石墨烯应用于锂离子电池可以解决传统锂电池能量密度和功率密度难以兼得的问题，可以作为石墨烯复合负极材料、锂电池正负极材料的导电添加剂和石墨烯功能涂层铝箔，全方位提升锂电池质量品质。

一、石墨烯基负极

石墨烯负极材料能够提高锂电池理论比容量和倍率性能。锂电池负极材料的主要种类有天然石墨，人造石墨，中间相炭微球及其他类型，其成本约占电芯成本的15%。石墨烯是由单层碳原子紧密排列构成，锂离子不仅可以存储在石墨烯片层的两侧，还可以在石墨烯片层的边缘和孔穴中存储，其理论比容量为740~780mAh/g，为传统石墨材料的2倍多（见表1-1）。

表1-1各种锂电池负极材料理论比容量

纯石墨烯材料由于首次循环库仑效率低、充放电平台较高以及循环稳定性较差，并不能取代目前商用的碳材料直接作为锂离子电池负极材料使用。但石墨烯可以作为一种优异的基体材料在锂电池复合电极材料中发挥更大的作用。将石墨烯与天然石墨、碳纳米管、富勒烯等碳材料复合，能利用石墨烯的特殊片层结构，改善材料的力学性能和电子传输能力。同时，掺杂后的石墨烯片层间距增大，提供更多的储锂空间。此外，石墨烯还可以用于改性其他非碳基负极材料。石墨烯掺杂改性后的复合材料能改善这两种材料单独使用时的缺点。

二、石墨烯基正极

目前，常用的正极材料几乎都是半导体材料，其电导率一般都在10-1 ～10-6S/cm，LiFePO4更是低至10 -10～10-9S /cm，电子在活性物质粒子间的导电性较差，光靠活性物质本身的导电性是远远不够的。

石墨烯二维高比表面积的特殊结构以及其优异的电子传输能力，能有效改善正极材料的导电性能，提高锂离子的扩散传输能力。而石墨烯在正极材料中的应用主要是与其他阳极材料复合，以进一步提高其性能，诸如此类的研究有很多。

三、石墨烯基导电添加剂

目前，锂电常用的导电剂有导电炭黑、乙炔黑、科琴黑，SuperP等，现在也有电池厂家将碳纤维（VGCF）和碳纳米管（CNT）作为导电剂用于动力电池。

图1-3石墨烯导电添加剂与传统的导电添加剂的性能对比

石墨烯用作导电剂的原理是其二维高比表面积的特殊结构所带来的优异的电子传输能力。石墨烯导电添加剂与传统的导电添加剂的性能对比如上图1-3所示。我们可以看出，不论从导电率、吸油值以及接触性等方面石墨烯导电添加剂都明显优于其他的导电添加剂，这对提高导电添加剂的综合性能打下良好的基础。

石墨烯导电添加剂已成为发展潜力最大的规模化应用方向之一。目前，鸿纳（东莞）新材料公司、青岛昊鑫新能源科技有限公司已有批量产品进入市场。

3、中国石墨烯-锂电池专利分析

图1-4中国锂电池专利分布情况统计

来源：中科院宁波材料所

石墨烯在锂离子电池中的应用目前是一个热点，申请的专利主要集中在石墨烯复合正极材料（磷酸铁锂、磷酸锰锂、磷酸钒锂和硅酸锰锂等共226 件专利）、石墨烯复合负极材料（硅、锡基合金、钛酸锂、二氧化钛、金属氧化物和金属硫化物等共334 件专利）、集流体（43件）以及导电添加剂（39件）等方面（如图1-4所示）。其中，企业和大学申请的专利主要是石墨烯复合正极/负极材料，中科院申请的专利则主要集中于石墨烯与新型的正极或负极材料进行复合；国外申请人则主要集中于石墨烯/硅复合负极材料、石墨烯/金属氧化物复合负极材料和石墨烯/正极材料等方面。

石墨烯锂电池市场分析

一、石墨烯-锂电池应用时间节点

未来的3年内，石墨烯基导电添加剂将会是石墨烯在锂电池行业实现规模化的方向之一；而在未来的2-6年内，石墨烯在电极材料的应用将会是其在锂电池行业发展主要目标；在将来的10年内，新型能量存储设备——柔性能量存储设备将会是锂电池等相关电池行业发展的主要方向。

二、市场前景预测分析

石墨烯在锂电池方面的优势决定了其在锂电池行业上应用的多元化，而随着全球锂电池需求量的增长，使得石墨烯-锂电池的需求量也水涨船高。

石墨烯作为锂电池导电添加剂的市场规模分析及预测

图1-5全球锂电池产量预测

来源：SNEReacher

图1-6石墨烯导电剂用量预测

如图1-5、1-6所示，首先随着全球锂电池产量的增加，导电添加剂的需求量也会逐年增加，而动力电池产业迅猛发展，将带动石墨烯导电剂用量的快速增长。而随着石墨烯产业化进场的不断加快，各国对其的政策红利不断释放，在市场和政策双重利好刺激下，石墨烯导电添加剂的市场容量也不断扩大，CGIA Research预测到2020年石墨烯导电添加剂在锂电池导电添加剂的市场占比将达到80%，市场规模将超过62.5亿元。

石墨烯用于锂电池负极材料的市场规模分析及预测

未来石墨烯运用于锂电池负极材料生产也具有很高的可能性，根据工研院产业经济与趋势研究中心（IEK）的数据显示（如图1-7所示），2013年全球锂电池负极材料的需求量约为3.5万吨，而自2015年过后，受到各国对石墨烯材料政策红利的影响，其中以中国的影响尤为突出，锂电池市场对石墨烯的需求量成倍数增长，CGIA Research预期到2020年石墨烯负极材料市场规模有望达到200亿元，市场空间极其巨大。

图1-7全球锂电池负极材料需求量

综合石墨烯在导电剂和锂电池负极材料的相关数据，到2020年，CGIA Research预测石墨烯在全球锂电池行业的市场规模有望突破262.5亿元。随而着石墨烯逐步应用，渗透率的提升将为其带来更为广阔的市场空间。但是，由于石墨烯研究时间短，属于新型材料体系，大量的问题还需要研究，目前在石墨烯-锂离子电池领域应用仍然存在一些问题：（1）石墨烯制备过程中片层容易堆积，降低了理论容量。（2）首次循环库伦效率较低，大量锂离子嵌入后无法脱出，降低电解质和正极材料的活性；（3）锂离子的重复嵌脱使得石墨烯片层结构更加致密，锂离子嵌脱难度加大而使得循环容量降低；（4）石墨烯振实密度较低，降低电池的功率密度；

综上所述，石墨烯独特的物质结构和优异的电化学性能，使其在锂离子电池领域具有良好的应用前景，但是目前石墨烯仍然存在制备和应用等方面的技术困难，使其在锂离子电池领域的实际应用还有较大的距离。因此解决石墨烯自身及其在锂电池应用方面存在的技术问题将会是石墨烯-锂电池行业破局之路的先决条件。