石墨烯是鋰離子電池電極的救星
科技產業資訊室 (iKnow) - Chen & Tzu-Ying 發表於 2015年8月5日
近40多年來，鋰離子電池的進步非常緩慢，尤其是在提升能量密度(energy density)和增快充放電速率(charge/discharge rate)這兩個重要指標，始終進展不大。可是隨著半導體發展的一日千里，抓住消費者眼球的電子產品推陳出新，造成了電子產品性能和電池效能之間的落差，且隨時間不斷演進，差距越來越大。
鋰離子電池的構造與重要技術瓶頸
鋰電池的構造主要為：正極活性物質、負極活性物質、隔離膜、電解質等三大部分，而鋰離子電池最重要的參數是能量密度，攸關電池能儲存/釋放的電量多寡，其單位為: Wh/kg 或 Wh/L (單位體積/容量，能儲存/釋放的電量)，要提升鋰離子電池的能量密度，有以下方法：
- 提高正極活性物質的比例：鋰離子做為能量載體，鋰離子才能穿越隔離膜到負極參與反應，可是鋰離子在正極的比例小於1%，其餘都是鋰氧化物，因此必須提高正極活性物質的比例。
- 提高負極活性物質的比例：為了因應正極鋰離子濃度提高的情況，以避免不可逆的化學反應反造成能量密度衰減。
- 提高正極材料的反應活性：增加正極鋰離子參與負極化學反應的比例，然而正極活性物質的比例有上限，因此研究新的正極材料是提高材料反應活性的方法。
- 提高負極材料的反應活性：這不是主要的解決方法，但可解少負極材料的質量，負極多為石墨，可將其改為新的負極材料或奈米碳管等以提升活反應效率。
- 其他部分的減重以獲提升效率。
至於，充放電速率的提升方法為：
- 提高正負極離子的擴散能力：正負極活性材料都盡量薄，且在活性物質的內部具有足夠且均勻的孔隙，以利離子通過(如圖一所示)。
- 提高電解質離子導電率：以加快鋰離子在正負極之間往來的速度。
- 降低電池內阻。
圖一、正負極活性材料內部具有足夠且均勻的孔隙，以利離子通過 [5]
石墨烯的材料特性與鋰離子電池電極的關係
而石墨烯2004年被證明可以單獨存在，為Sp2以蜂巢晶格(honeycomb crystal lattice)形成的單層二维晶体，由碳原子和其共價鍵所形成的原子網格，其結構為一種平面單層緊密打包成一個二維(2D)蜂窩晶格的碳原子，是所有其他維度的石墨材料的基本單元，可以形成成零維(0D)的富勒烯、捲成了一維(1D)的奈米碳管、堆疊成三維(3D)的石墨；同時石墨烯是目前世界上最薄、最堅硬的奈米材料，在常溫電子遷移率高達200000 cm2/V•s ，高於奈米碳管或矽晶體（monocrystalline silicon），且電阻率比銅或銀更低(約10-6 Ω•cm是目前電阻率最小的材料)，是目前世界上最薄的材料厚度僅有0.334 nm，機械強度高(125Gpa)、拉伸模數大(1.1Gpa)，由於這些性質，切中上述提升鋰離子電池能量密度方法中的提高正、負極材料的反應活性兩點，和加快充放電速率中待解決的提高正負極離子的擴散能力、降低電池的內阻兩點。
石墨烯做為正、負極添加劑，其高電子遷移率和電阻值能降低阻抗、提高活性物質的比例；其超薄的厚度能加快鋰離子在正負極之間的往返速度；石墨烯具有足夠且均勻的孔隙除了能提升充放電速率外，亦能提供電極在充放電時體積伸縮變化的緩衝空間，避免電極損壞，圖二和圖三為Nature Communications 在2015年7月17日所發表的和氮硫摻雜塑形成海綿結構石墨烯改進鋰-硫電池電極的論文，圖二表示此電極結構極輕，圖三顯示了其均勻的孔隙能改善上述問題。且鋰離子電池的負極多為碳構成，因此石墨烯除了負極添加劑外，也能直接當成鋰離子電池的負極材料。
石墨烯特殊的材料性質，科學家和工程師們期待能突破鋰離子電池領域多年的瓶頸，相關的研究如火如荼的進行中，發表成果也算豐碩[3], [4]。未來石墨烯提煉技術與成本降低後，石墨烯材料應用在商用鋰離子電池電極中，在未來勢必指日可待。(1282字；圖3)
圖二、石墨烯所製成的正極電極非常輕 [4]
圖三、石墨烯所製成的正極電極具有均勻的孔隙 [4]
參考資料
[4] Guangmin Zhou, Eunsu Paek, Gyeong S. Hwang & Arumugam Manthiram, “Long-life Li/polysulphide batteries with high sulphur loading enabled by lightweight three-dimensional nitrogen/sulphur-codoped graphene sponge”, Nature Communication, 2015/07/17
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