石墨烯的命名是用以描述碳原子排列成單層蜂巢狀的二維晶體，以sp2混成軌域組成，厚度僅一個碳原子直徑的0.34nm，是目前世界上最薄也是最堅硬的材料。其獨特的性質(zhì)在力學(xué)表現(xiàn)方面，僅僅一個原子層的厚度，卻擁有130GPa的拉伸強(qiáng)度，遠(yuǎn)高于不銹鋼百倍以上，比重卻僅約鋼鐵的四分之一；熱學(xué)性質(zhì)方面，石墨烯在熱傳導(dǎo)系數(shù)的表現(xiàn)，甚至超越任何已知的材料，自由懸浮、無基材承載的石墨烯，可以量測到2000～4000W/mK的優(yōu)秀數(shù)值，超過鉆石及其他任何金屬材料；光學(xué)性質(zhì)方面，單層的石墨烯在所有波長范圍的光穿透度都達(dá)到97.7%，僅僅隨著石墨烯的層數(shù)增加而減少，可說是幾乎完全透明的材料；電學(xué)性質(zhì)方面，電阻率來到10-6Ω.cm，較銅與銀都低，為目前已知材料中于室溫下電阻最低且電子遷移率高達(dá)2.105cm2/V.s，是矽的10倍以上。

這些獨特的電荷機(jī)械性質(zhì)使得加入石墨烯的復(fù)合材料更多功能化，不但表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)及電學(xué)性能，還具有優(yōu)良的加工性能，為材料應(yīng)用領(lǐng)域開啟了新的篇章。

石墨烯懸浮溶液解決電池量產(chǎn)瓶頸

近年已有非常多文獻(xiàn)利用石墨烯取代傳統(tǒng)導(dǎo)電碳作為導(dǎo)電添加劑，藉由石墨烯的高導(dǎo)電性提升鋰離子電池和超級電容器的功率密度，也提出非常多令人驚艷的數(shù)據(jù)。然而，實驗室得出的驚人數(shù)據(jù)往往無法在產(chǎn)品量產(chǎn)時得到再現(xiàn)，且差異頗大。

出現(xiàn)巨大差距的原因在于石墨烯類似其他納米材料，堆積密度極低造成體積龐大，且石墨烯相互之間凡德瓦爾力(vanderWaalsForce)所造成的團(tuán)聚現(xiàn)象，都影響石墨烯導(dǎo)入應(yīng)用的方便性。尤其是石墨烯表面不僅具有疏水性，對多數(shù)有機(jī)溶劑也不相容，因此當(dāng)石墨烯添加于任一種材料時，團(tuán)聚沈淀問題更顯嚴(yán)重。

這個問題在實驗室進(jìn)行非常小量的實驗生產(chǎn)時并不明顯，或是可以靠簡單的機(jī)械甚至是手工方式解決，但在大量生產(chǎn)時，從石墨烯進(jìn)料開始就對機(jī)器設(shè)備產(chǎn)生極大的考驗，一旦在進(jìn)料時即發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，往往造成設(shè)備堵塞甚至損壞，而無法均勻地分散石墨烯，也導(dǎo)致了效能不如預(yù)期的結(jié)果。

雖然一般直覺會利用分散劑來改善石墨烯團(tuán)聚的問題，然而市面上多數(shù)的分散劑對于分散石墨烯不見得有效，更可能會因為界面阻抗而降低石墨烯的導(dǎo)電性能，對于電化學(xué)裝置，特別是鋰離子電池而言，分散劑能否在不同電壓甚至是高電壓的循環(huán)操作下穩(wěn)定存在，而不會產(chǎn)生副反應(yīng)或是影響安全性的疑慮，是更重要的考量。因此，如何在既有的操作環(huán)境下解決團(tuán)聚的問題又不改變石墨烯的導(dǎo)電性，決定了石墨烯真正商品化的價值，而不僅僅是學(xué)術(shù)價值。

更進(jìn)一步從鋰離子電池廠商的現(xiàn)實執(zhí)行面來看，縱使石墨烯能帶來莫大的好處，最理想的使用方式還是能像其他原料一樣，依據(jù)現(xiàn)有的制程條件，使用現(xiàn)有的制程設(shè)備，在不更動任何制程參數(shù)或設(shè)備的情況下導(dǎo)入石墨烯。因為任何制程的更動或設(shè)備的改變，不僅可能增加制程的變數(shù)，更直接增加產(chǎn)品成本，對于一個新材料而言，將大幅延長導(dǎo)入時程。

綜觀現(xiàn)有的鋰離子電池制程，正極材料方面普遍采用聚偏氟乙烯(PVDF)為電極活性物質(zhì)黏結(jié)劑，N-甲基吡咯烷酮(NMP)則為PVDF以及混漿的溶劑;在負(fù)極方面，使用水作為黏結(jié)劑與混漿溶劑，大部分使用羧甲基纖維素(CMC)以及丁苯橡膠(SBR)為黏結(jié)劑的主成分。結(jié)合上述幾項要求，若要將石墨烯順利導(dǎo)入鋰離子電池應(yīng)用，最佳方案是將石墨烯預(yù)先均勻分散在NMP與水的溶劑中，且最好不要使用現(xiàn)有成分以外的材料作為添加劑。

在這個前提下，若能進(jìn)一步提供濃縮分散溶液，更可以進(jìn)一步降低運輸成本。至于在石墨烯NMP懸浮溶液方面，市場上已有可提供最高濃度達(dá)6wt%的石墨烯懸浮溶液，且無添加其他任分散劑，在使用時只需要以NMP稀釋至所需濃度，即可順利銜接既有制程;在水性懸浮溶液方面，市場上也有可提供濃度為5wt%的中性水性懸浮液，雖然石墨烯因疏水性而需要添加分散劑輔助，但是分散劑均可于3.8V下穩(wěn)定循環(huán)操作，而不會對電極材料或鋰離子電池產(chǎn)生不良影響。礙于篇幅，下面簡述石墨烯NMP懸浮溶液導(dǎo)入各種不同正極材料的結(jié)果。

石墨烯懸浮液有效強(qiáng)化正極材料

碳黑是目前使用最為廣泛的鋰離子電池導(dǎo)電劑，主要采用有機(jī)物(天然氣、重油等)不完全燃燒或受熱分解而得到，并通過高溫處理以提高其導(dǎo)電性與純度。石墨也是由碳構(gòu)成，它是碳元素的一種同素異構(gòu)體，石墨的導(dǎo)電性主要取決于它的含碳量、石墨化程度、粉體顆粒大小還有形態(tài)等因素。一般傳統(tǒng)添加在電池電極中的導(dǎo)電劑為碳黑而非石墨，其主要因素除了所加導(dǎo)電粉本身的導(dǎo)電性外，還與導(dǎo)電粒子在復(fù)合物中的分布狀態(tài)有關(guān)。

同等質(zhì)量的碳黑和石墨，由于碳黑的比重比較小，在復(fù)合材料中占據(jù)了更大的體積分率，有利于形成導(dǎo)電網(wǎng)路，從而獲得比石墨做填料更好的導(dǎo)電效果。石墨烯相對于碳黑，除了在同等質(zhì)量的情況下?lián)碛懈蟮捏w積分率以及導(dǎo)電網(wǎng)路外，由于吸油量高達(dá)250ml/100g，也有利于電解質(zhì)的吸附，加上石墨烯具有柔韌性，具有更好的壓縮性，有利于電池極片的加工，增加電池的體積能量密度。

鋰離子在分別混合不同導(dǎo)電添加劑(左:碳黑,右:石墨烯)電極結(jié)構(gòu)模型中的路徑比較

鈷酸鋰正極材料鈷酸鋰的化學(xué)式為LiCoO2(LCO)，屬于α-NaFeO2層狀結(jié)構(gòu)，鋰離子由Li1-xCoO2中完全釋出時(x=1)，其理論電容量為273.8mAhg-1。但在實際充電過程中，當(dāng)x>0.5時，將使LiCoO2產(chǎn)生相變化，LiCoO2的結(jié)構(gòu)將由六方晶相(Hexagonal)轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡本?Monoclinic)，造成晶格膨脹約2.6%，使結(jié)構(gòu)不穩(wěn)。

此材料于充放電截止電壓4.2V及2.7V，充放電速率0.2C測試下，實際可用電容約為140mAh/g，因此LiCoO2實際可用電容量只有理論值的一半。盡管如此，由于鈷酸鋰生產(chǎn)制程相對簡單，又具有電化學(xué)穩(wěn)定性，是最早量產(chǎn)化導(dǎo)入應(yīng)用的正極材料，在目前電子消費產(chǎn)品的電池市場中仍居首位。

但是隨著對于電容量提高以及快速充電的需求，鈷酸鋰材料已經(jīng)達(dá)到了瓶頸，目前唯一的解決辦法就是提高操作電壓至4.5V，但電池本身的充放電就是一個電化學(xué)反應(yīng)，有反應(yīng)就一定有逆反應(yīng)的存在，當(dāng)電池在高功率的充放電時，若鋰離子無法及時嵌入嵌出，就會在本身的材料中造成不可逆的電容使得電池極化。

而石墨烯的功用之一就在于當(dāng)有高功率需求時，利用其二維結(jié)構(gòu)，以提供電子能夠快速的通道;其功用之二，當(dāng)電池因應(yīng)需求而提高操作電壓的同時，鋰離子會因為高電壓壓榨電容量，使得鋰離子嵌入嵌出的同時因體積膨脹太多造成電池材料的崩解，透過石墨烯的保護(hù)，以確保高導(dǎo)電性材料的特性持續(xù)存在，維持長時間循環(huán)壽命。當(dāng)添加量為傳統(tǒng)碳黑的一半時，在1C充放電且在4.5V高電壓的環(huán)境下電容量有15%的提升，即使在2C充放電下仍有穩(wěn)定的電容量可提供，正迎合3C電子產(chǎn)品對電力的需求。

(A)正極材料為LCO添加石墨烯懸浮液與傳統(tǒng)碳黑在1C(3.0~4.5V)的環(huán)境下電容量比較；(B)添加石墨烯懸浮液在0.2~2C(3.0~4.5V)的電容量比較

三元正極材料三元材料是鎳鈷錳酸鋰的簡稱，化學(xué)式為Li(NiMnCo)O2，是由鎳鹽、鈷鹽與錳鹽為原料，依實際需要調(diào)比例后產(chǎn)生的共熔體。以三元材料做為正極的電池比鈷酸鋰電池較為安全，且成本低廉，電容量本身也不輸鈷酸鋰電池(>150mAh/g)，工作電壓與現(xiàn)有電解液匹配(4.1V)，缺點是平臺比鈷酸鋰低，適用的范圍為動力電池與小型電池。三元系材料被認(rèn)為是介于磷酸鐵鋰與鈷酸鋰的中間材料，在成本比鈷酸鋰電池還便宜的優(yōu)勢下，又有較好的高速率充放電條件，是它的優(yōu)勢所在。

三元系材料主要問題在于熱失控溫度較低(約190～200℃)、材料貼覆性差與導(dǎo)電度不佳等，而若為了降低導(dǎo)電度不佳的問題進(jìn)行縮小粒徑，又會引起比表面積過高導(dǎo)致吸濕快、材料不穩(wěn)定的副作用。因此，為解決導(dǎo)電上的問題，使用石墨烯作為導(dǎo)電碳材，對三元系正極材料有著顯著的效能提升。在100次充放電測試中，相對于使用傳統(tǒng)碳黑為導(dǎo)電劑的對比，添加0.5～2.5wt%石墨烯懸浮液的三元系材料有效延長了材料壽命。

(A)三元正極材料添加石墨烯懸浮液與傳統(tǒng)碳黑在1C(3.0~4.4V)的環(huán)境下電容量比較；(B)與傳統(tǒng)碳黑在1C(3.0~4.4V)且經(jīng)過100回圈后的電容量比較

由于石墨烯的片狀結(jié)構(gòu)能有效地在材料周圍建立更加完善的導(dǎo)電網(wǎng)路，比起其他零維與一維導(dǎo)電材料更有競爭力。

另外，石墨烯懸浮液的分散性與貼覆性佳，經(jīng)過輾壓及纏緊等加工也能減少材料掉粉或涂布層不連續(xù)的問題。磷酸鋰鐵正極材料磷酸鋰鐵正極材料的化學(xué)式為LiFePO4，屬于橄欖石結(jié)構(gòu)，相較于鈷酸鋰材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性佳，磷酸鋰鐵電池在充電時會釋放出鋰原子成為磷酸鐵，由于磷酸根中磷與氧具有較強(qiáng)的共價鍵結(jié)構(gòu)，因此在過充時不至于釋放出氧氣，也不會有爆裂的情況發(fā)生。

磷酸鋰鐵電池為目前少數(shù)具有經(jīng)濟(jì)性且符合環(huán)保及安全要求，在應(yīng)用上，需求會偏向高速充放電的電動工具與車用環(huán)境。然而其振實密度低(1.0g/cm3)、電子導(dǎo)電度低(10-9～10-10S/cm)、鋰離子擴(kuò)散速率低(10-10～10-11cm2/s)，尤其為了滿足汽油車輛點火的瞬間放電、與純電動車在起步扭力上的高放電需求，更需要有效提升材料的導(dǎo)電性。在1C充放電容量測試下添加0.5～2.5wt%石墨烯的磷酸鋰鐵電池與添加碳黑的磷酸鋰鐵電池相比有15%的提升。

石墨烯打破儲能元件傳統(tǒng)分野傳統(tǒng)認(rèn)為鋰離子電池?fù)碛懈吣芰棵芏扰c低功率密度的特性，而超級電容器擁有高功率密度與低能量密度的特性。然而這儲能元件分界線，隨著石墨烯材料的問世逐漸被打破。由于石墨烯特殊的二維幾何結(jié)構(gòu)與優(yōu)越的導(dǎo)電性質(zhì)，當(dāng)導(dǎo)入儲能元件中，鋰離子電池的功率密度突破性提升，能承受快速充放電的能力顯著拉高。