LFP电池改性（2）：石墨烯改性LiFePO4正极材料

理想的LiFePO4材料应用于锂电池要求晶化质量高，粒径分布小且均匀，导电性高，导热性好，电池能量、功率密度高，以及电池的安全性好等，同时实现这些要求还很困难。之前我们介绍了一些用来提高LiFePO4电化学性能的方法，今天我们介绍使用新型材料石墨烯改性LiFePO4正极材料的优势与劣势。

石墨烯的分子结构

石墨烯是一种二维碳纳米材料，由碳原子以sp²杂化轨道组成的六角型蜂巢晶格构成。由于其平面状态，可以被卷成1D碳纳米管（CNTs），进一步根据石墨烯层进行分类为单壁或多壁，包裹成0D的球形Bucky球，或者堆叠成由十层以上的石墨烯层组成的3D石墨。因此石墨烯可以被视为所有碳材料的基本构建块。

LiFePO4/石墨烯复合材料

通常情况下，LiFePO4/石墨烯复合材料结构主要是混合模型，也有部分为嵌入模型、包覆模型或封装模型，但目前尚不清楚哪一种结构能够提供更好的电化学性能：

磷酸铁锂/石墨烯复合材料结构

众多实验已证明LiFePO4/石墨烯复合材料的性能得到了显著提升，例如更好的导电性、更高的比容量以及出色的纯度和结晶度：

多孔LiFePO4和LiFePO4/石墨烯复合材料的 (a) XRD和 (b) 拉曼光谱；各种LiFePO4/石墨烯复合材料的（c）充放电曲线和（d）循环伏安曲线

石墨烯显著地提高LiFePO4电化学性能原因：

• 与传统碳层包覆相比，更高石墨化程度的石墨烯更有利于增强电子导电率，而且在磷酸铁锂/石墨烯复合材料中形成三维导电网络，增加了LiFePO4颗粒间的电子导电率；
• 减少锂离子在LiFePO4中扩散的各向异性，增加了锂离子嵌入和脱出的有序性，一定程度上加强了离子导电率；而且在制备过程中石墨烯包覆LiFePO4前驱体可以促使LiFePO4颗粒纳米化；
• 石墨烯可作为高容量密度负极材料，因此它对于提高LiFePO4可逆容量密度也十分有利；
• 石墨烯可以快速存储和释放大量电荷，在石墨烯改性LiFePO4复合材料高倍率充放电过程中实现了对容量的快速响应。

但是石墨烯的片状结构会阻碍锂离子的传输，尤其在高倍率充放电时，会引起严重的极化，导致其倍率性能严重下降，甚至致使电池的温度升高，引发安全问题。而且由于石墨烯材料难以在其他基体中分散，制约了石墨烯和LiFePO4复合分散的商业化应用。石墨烯为什么难以分散？这是由于其特殊的结构所决定的，具体原因如下：

石墨烯改性LiFePO4的商业化应用

目前企业使用石墨烯提高LiFePO4正极材料的电化学性能主要采用两种方式：一是在做电池浆料的时候，添加石墨烯与正极材料混合，目前做此尝试的电池厂商较多；二是在生产正极材料的时候进行包覆。相对于第一种方式，包覆技术对改善导电性更有优势，但具体能否包覆好取决于石墨烯的层数、导电性，以及具体使用的工艺手段。目前石墨烯包覆LiFePO4的成熟产品还没有广泛上市。

石墨烯包覆LiFePO4

影响石墨烯包覆LiFePO4复合材料性能的因素

石墨烯 VS 活性炭

虽然石墨烯是一种十分具有发展前景的 LiFePO4改性材料，其改性效果优于活性炭、碳纳米管等传统碳材料。但是从天然石墨中提取石墨烯的高成本和复杂的制备工艺使其价格高达100×10⁴～1000×10⁴元/吨。因此，低成本、洪量制备技术的开发是石墨烯储能应用的关键。相比之下，进口超级活性炭的价格约为50×10⁴~100×10⁴元/吨，且能够实现与LiFePO4的复合分散，是目前商业化应用更适合的材料。