中國粉體網訊 如今，鋰電池的應用越來越廣泛，為提高鋰電池性能尤其電極材料的導電性，通常需要在電池制備過程中加入適量導電劑以提高正極材料的導電性。目前常用的導電劑主要為導電碳黑和碳納米管為主，然而作為碳納米材料大家庭的石墨烯雖然也有使用，但是市場占比并盡如人意，隨著碳納米管導電劑狼吞虎咽導電炭黑的市場，如何才能讓石墨烯分一杯羹？
石墨烯在電子傳導應用具有巨大優勢，但是受范德華力影響，疏油疏水的石墨烯納米片容易產生團聚，難以獲得具有良好分散穩定性的石墨烯導電漿料，因而制約著石墨烯導電劑的發展。改善石墨烯的分散穩定性，通常可采用分散劑、化學摻雜等化學方法和超聲、微波等物理方法。分散劑對石墨烯導電漿料有哪些影響？
華南理工大學材料科學與工程學院的吳永健和廣東省稀有金屬研究所唐仁衡等人通過系列對照實驗探究不同分散劑在油性體系中對石墨烯分散穩定性的影響，并研究所獲導電漿料應用在磷酸鐵鋰正極的電化學性能。
石墨烯導電漿料的制備
分別向預處理的PVP、KD1、BYK-2150分散劑溶液中加入石墨烯，經過再處理后獲得石墨烯和分散劑含量均為１％的導電漿料。分別命名為GR-PVP、GR-KD、GR-BYK。另外，在不加任何分散劑的情況下，采用相同的步驟配制出質量分數為１％的石墨烯漿料作為對比該漿料命名為GR。
不同分散劑對石墨烯分散效果的影響
制備出GR-PVP、GR-KD、GR-BYK四種石墨烯漿料后，分別在靜置0d、1d、4d、7d時進行紫外吸收光譜測試。四種漿料靜置不同時間的紫外吸收光譜如圖所示：
研究發現KD1和BYK-2150對石墨烯的分散以及穩定都表現出良好的效果。
四種石墨烯漿料的SEM和TEM圖
圖像表明超聲和砂磨分散處理可破碎石墨烯片，使之有利于在正極材料中形成導電網絡。其中，采用分散劑KD1和BYK-2150處理的石墨烯分散效果最好，說明這兩種分散劑可有效提高石墨烯的分散穩定性、抑制石墨烯片層的團聚。
原因可能是：非離子型分散劑BYK-2150含有可與石墨烯表面形成π-π鍵結合的芳香環結構，該結構使其有效吸附在石墨烯表面并形成空間位阻效應，阻礙石墨烯的再次團聚；KD1為陽離子分散劑，電離后產生的靜電排斥力以及由其大分子鏈形成的空間位阻效應，使得石墨烯得到良好的分散。
不同漿料對電池性能的影響
采用不同導電漿料制備的電池在1C倍率下循環50次的放電比容量和庫侖效率曲線如圖所示：
從圖像中可以看出GR-BYK和GR-KD分散劑處理的電極現出良好的首次放電性能，這是因為BYK-2150和KD1對石墨烯具有良好的分散穩定作用，使得石墨烯與LFP顆粒間能夠均勻混合，有利于構建穩定高效的導電結構，從而極大降低了電池內阻，減弱了反應極化作用。此外，分散在LFP表面的石墨烯可以有效抵消Li離子嵌入和脫出反應所造成的應力，保持正極材料的結構穩定性。
不同導電漿料制備的電池的循環伏安曲線如下圖所示，圖像表明采用分散劑 BYK-2150和KD1處理的石墨烯導電漿料制備的電池性能最佳。
不同導電漿料制備的電池的電化學阻抗譜和等效電路圖
結論
以KD1和BYK-2150作為石墨烯的分散劑，結合砂磨和超聲分散等物理手段，從而獲得質量分數為１％的石墨烯導電漿料。測試表明石墨烯漿料的分散濃度和穩定性均有所提高。以磷酸鐵鋰為正極材料，GR-KD和GR-BYK為導電漿料制備的扣式電池在0.2C倍率下的首次放電比容量分別為150.7mAh/g和156.1mAh/g，首次放電效率分別為94.4%和97.7%；在1C倍率下循環50次后，比容量保持在152.5mAh/g和159.7mAh/g，且GR-KD表現出良好的倍率性能。
參考資料：吳永健，分散劑對油性石墨烯導電漿料性能的影響及其在鋰電池中的應用
（中國粉體網編輯整理/江岸）
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