二、中國石墨烯電池行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈中游

（一）中國鋰電池行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

鋰電設備國外起步較早且技術領先，我國逐步實現(xiàn)進口替代。日本鋰電設備企業(yè)居于領先地位，韓國和中國等通過引進美國、日本等先進國家的技術和設備，再進行消化吸收，并在此基礎上尋求改進和創(chuàng)新。在中低端設備方面，國產(chǎn)設備和國外設備已經(jīng)沒有太大的差別，而且價格有很大優(yōu)勢，與日韓形成了三分天下之勢。

2019年，我國電池制造業(yè)主要產(chǎn)品中，鋰電池累計完成產(chǎn)量157.22億自然只，同比增長12.4%。2020年，我國鋰電池累計完成產(chǎn)量188.45億自然只，同比增長19.9%。

數(shù)據(jù)來源：中商產(chǎn)業(yè)研究院

（二）石墨烯在鋰電池中的應用

1、應用方向

目前，石墨烯在鋰電池中的應用研究主要有四個方向：

（1）用于鋰離子電池復合電極材料

隨著條件溫和、低成本和大批量的石墨烯制備技術的不斷發(fā)展，以石墨烯為基底的復合鋰離子電池材料得到了廣泛的研究。

石墨烯基復合材料的制備通常有兩種方法：一種是通過物理混合將已制備的活性電極材料直接沉積于石墨烯或氧化石墨烯基底。這種方法的優(yōu)點是預先制備的活性材料的結(jié)構(gòu)與形貌特征可以通過成熟的合成工藝得到控制，但材料與石墨烯基底的均勻混合取決于其在石墨烯溶液中的分散能力。另一種是將活性電極材料原位反應生長于石墨烯或氧化石墨烯基底。其特點是可以將活性材料更緊密均勻的生成在石墨烯二維層面內(nèi)，通過石墨烯的片層結(jié)構(gòu)可在材料的高溫合成過程中抑制其粒子的團聚，從而形成結(jié)構(gòu)與化學性質(zhì)均勻穩(wěn)定的“三明治”狀復合材料，但對制備工藝的要求相對較高。

（2）用作鋰離子電池負極活性材料

作為石墨的同素異形體，與石墨烯已被證明是極具希望的鋰離子電池負極活性材料。不同形貌的其穩(wěn)定的循環(huán)容量可達300-600mAh/g。石墨烯擁有極高的比表面積、優(yōu)異的導電性能以及獨特的儲鋰機制：鋰離子不僅可以存儲在石墨烯片層的兩側(cè)，還可存儲于石墨烯片層的邊緣位與缺陷位，從而獲得更高的儲鋰容量。此外，相比于傳統(tǒng)石墨電極易于在長時間的充放電循環(huán)中粉化破碎的缺點，與石墨烯以其優(yōu)異的機械強度與結(jié)構(gòu)韌性，能發(fā)揮出更為穩(wěn)定的循環(huán)性能。

石墨烯類材料根據(jù)其官能團化程度的不同，可劃分為石墨烯、還原氧化石墨烯以及氧化石墨烯材料。這些材料雖然在物理與化學性質(zhì)上都多有差異，但在用作鋰離子電池負極活性材料時均表現(xiàn)出遠高于傳統(tǒng)石墨的容量性能。

官能團含量較高或者具有較多缺陷位的石墨烯類材料，如氧化石墨烯與未完全還原的氧化石墨烯，由于其上含有更多的鋰離子嵌入位點，因而可展現(xiàn)更高的初始容量，但由于材料本體導電性較低，其循環(huán)穩(wěn)定性與倍率性能往往受到一定的限制。與氧化石墨烯相比，還原程度較高的氧化石墨烯或者以氣相沉積法制備的石墨烯由于具有更為完整的片層平面導電結(jié)構(gòu)，因而在較高的充放電倍率下，循環(huán)穩(wěn)定性更強。

（3）用作鋰離子電池導電添加劑

在目前的鋰離子電池體系中，電極材料本體較低的離子與電子電導率是限制其倍率性能的主要因素之一。過高的電阻值會引起電極的極化，造成電極材料利用率的降低。碳材料如炭黑、乙炔黑因其高導電能力及化學鈍性是目前較為常用的導電添加劑。然而為了能夠建立高效的導電網(wǎng)絡，對導電劑的添加量要求往往較高。而導電添加劑本身并不能提供嵌脫鋰容量，從而導致電池比能量與比功率的降低。另外，傳統(tǒng)導電添加劑與活性材料粒子點對點的接觸方式會帶來較大的熱阻抗，從而帶來一定的安全隱患。而石墨烯獨特的二維平面結(jié)構(gòu)可以為電極活性物質(zhì)顆粒提供大量的導電接觸位點。并且相比于乙炔黑與炭黑，石墨烯作為導電添加劑能更有效地降低電極材料顆粒間的接觸阻抗并提升整體電極的導電性能。

（4）用作新型鋰硫電池復合導電載體

鋰硫電池是一種以單質(zhì)硫為正極，金屬鋰為負極的鋰電池，其中單質(zhì)硫具有極富吸引力的高理論比容量（1675mAh/g）。但是由于硫電極獨特的理化性質(zhì)，鋰硫電池在應用中主要面臨以下三個問題：1）硫及其最終放電產(chǎn)物硫化鋰導電性極差，從而降低了活性物質(zhì)的利用效率與電池的倍率性能；2）硫電極在充放電過程的中間產(chǎn)物多硫化物為液態(tài)物質(zhì)，極易溶解于有機電解液中造成活性物質(zhì)的損失與循環(huán)性能的下降。另外流失的多硫化物還會隨著電解液遷移到電池負極，造成對鋰負極的破壞。3）放電終產(chǎn)物硫化鋰的密度遠低于最初的反應物單質(zhì)硫，整個硫電極在充放電過程中會經(jīng)受巨大的體積變化，往往會導致電極結(jié)構(gòu)的破壞。

不同的石墨烯材料在鋰硫電池中用作導電支撐結(jié)構(gòu)時能夠發(fā)揮出不同的作用，但其一般都具有以下優(yōu)點：首先，石墨烯類材料本身具有極高的導電能力，將硫單質(zhì)與其復合，可以顯著降低硫電極的電阻抗、提升活性材料的利用效率并有效提高倍率性能；其次，石墨烯類材料比表面積較高，可以通過將硫包覆在兩個臨近的石墨烯片層內(nèi)，均勻負載較大質(zhì)量的硫單質(zhì)（負載質(zhì)量一般在60%以上）并有效抑制多硫化物的流失。另外，石墨烯獨特的彈性物理結(jié)構(gòu)還可為硫電極在脫嵌鋰過程中巨大的體積變化提供緩沖空間，從而有效提高鋰硫電池的循環(huán)穩(wěn)定性。