石墨烯具有完全敞开双表面的结构,可以进行一系列有机反应,与其他材料复合,可以提高其机械性能和导电导热性。如果对视墨膝进行功能团修饰可以使其化学活性更加丰富。石墨烯的这种结构特性,也使得它非常适合于有机化学活性的材料合成复合材料,用于提高如锂离子电池或超级电容器的电极材料的性能。
全球石墨烯专利最为集中的前五个领域分别为锂电子电池、生化传感器、超级电容器、催化剂及导电复合材料。 在锂电子电池应用方面的专利数最多,为646 件,占所有领域专利数的 12.7%。可见石墨烯的应用研究在锂电池领域最为成熟,在产业化推广上的技术难度最低。
石墨烯已经作为一种新的添加剂被广泛研究与验证,但目前更多是与炭黑、碳纳米管混合一起,而不是实现完全的替代。将石墨烯和炭黑混合后作为导电添加剂加入锂电池,可以有效降低电池内阻,提升电池充放电性能和循环寿命。东莞鸿纳、青岛昊鑫等多家单位已经推出相关产品并应用到锂电池中,其市场占比逐步提升。
石墨烯导电剂和其他导电剂对比 | |||
磷酸铁锂极片电阻率(Ωcm) | |||
导电剂添加量 | 石墨烯 | 碳纳米管 | 导电炭黑 |
1wt% | 2.1 | 20.5 | 82.4 |
2 wt% | 0.8 | 11.6 | 51.7 |
3 wt% | 0.4 | 2.1 | 29.8 |
4 wt% | 0.35 | 1.2 | 22.4 |
5 wt% | 0.17 | 1.2 | 10.6 |
6 wt% | 0.16 | 0.9 | 8.3 |
随着石墨烯生产技术不断成熟,成本也在快速下降中,2015石墨烯导电剂价格为 230 美元/千克,与碳纳米管导电剂价格大致相同,预计到 2020 年石墨烯导电剂价格将降至113美元/千克,而碳纳米管价格将维持在200美元/千克的水平,石墨烯导电剂的价格优势将逐步显现。随着石墨烯导电剂价格的不断降低,以及汽车动力电池对性能的要求越来越高,石墨烯导电剂将快速普及,迎来产业化的快速推进和市场需求的快速放量。
2014年以来,我国新能源汽车进入快速发展,产销量不断攀升,新能源汽车的需求激增大幅拉动了国内动力电池的需求。2015 年中国汽车动力锂电池产量为16GWh,同比增长 300%。我们预计中国动力锂电池 2016 年产量为 30.5GWh,到2025 年动力电池产量将达到 154GWh,年复合增长率达到 39.36%。相对应的正极材料 2016年的需求量将达到 8万吨左右,到2020年可达到 26万吨。
未来随着新能源汽车的快速发展,对动力电池的性能要求也越来越高,而正极材料作为动力电池的核心,其对于高端导电添加剂品需求也将呈飞速提升态势。预计到 2018 年,石墨烯导电剂用量将达 500 吨左右,其在锂电池导电剂材料中占比也将逐步提高。