北极星智能电网在线讯:锂离子电池具有高能量密度、无记忆效应等优点，自问世以来，即迅速取代镍镉及镍氢等传统二次电池的地位。不过，目前锂电池技术已遇上瓶颈，必须在正极材料上取得突破，功率密度才有机会显着提升。石墨烯材料正是让锂电池性能更上一层楼的关键所在。
锂离子电池具有高能量密度、无记忆效应等优点，自问世以来，即迅速取代镍镉及镍氢等传统二次电池的地位。自1991年日本索尼(Sony)率先将其商品化后，市场占有率持续增加，仅仅数十年，全球产值就超过镍镉和镍氢电池的总和。随着对现有材料和电池设计技术的改进以及新材料的出现，锂离子电池应用领域一直不断地被拓展，尤其是近年来3C电子产品不断追求轻、薄、短、小，锂离子电池已成为最佳的选择。
如今全球锂电池应用市场需求规模有二成以上稳定的成长，如图1所示，除了既有的智慧型手机和平板电脑市场外，锂电池的应用已深化在行动电源、不断电系统与电动汽机车等的应用上。在资源逐渐耗竭及环保意识高涨的年代，替代性能源日益受到重视，环保节能的电动车更将是未来汽车进化的新趋势与共识，而各国也积极投入资源进行电动车最关键零组件，动力电池的开发。全球电动车龙头特斯拉(Tesla)已经宣布与日本Panasonic进行合作，共同在美国新建电池芯生产厂。到2020年，这家超级电池工厂(Gigafactory)每年生产的电池可供50万辆电动汽车使用，超过2013年全球电池工厂的产能总和。
图1全球锂电池不同应用市场容量需求分布单位：百万瓦时MWh
如图2所示，根据IEK所做电动车用锂电池预估，整体电动车用锂电池市场将自2011年起有明显的成长，至2018年为止，各种应用锂离子电池为动力来源的电动车将有爆发性成长。
图2全球车用动力电池市场规模单位：百万瓦时MWh
因此，不论锂离子电池的用途为何，随着需求与规格不断的提高，国际大厂莫不积极寻找提高性能的解决方案，而这样殷切地期盼也给石墨烯(Graphene)进入锂离子电池应用带来最佳契机。
石墨烯电学性能佳电池应用有潜力
石墨烯的命名是用以描述碳原子排列成单层蜂巢状的二维晶体，以sp2混成轨域组成，厚度仅一个碳原子直径的0.34nm，是目前世界上最薄也是最坚硬的材料。其独特的性质在力学表现方面，仅仅一个原子层的厚度，却拥有130GPa的拉伸强度，远高于不锈钢百倍以上，比重却仅约钢铁的四分之一；热学性质方面，石墨烯在热传导系数的表现，甚至超越任何已知的材料，自由悬浮、无基材承载的石墨烯，可以量测到2000∼4000W/mK的优秀数值，超过钻石及其他任何金属材料；光学性质方面，单层的石墨烯在所有波长范围的光穿透度都达到97.7%，仅仅随着石墨烯的层数增加而减少，可说是几乎完全透明的材料；电学性质方面，电阻率来到10-6Ω．cm，较铜与银都低，为目前已知材料中于室温下电阻最低且电子迁移率高达2．105cm2/V．s，是矽的10倍以上。
这些独特的电荷机械性质使得加入石墨烯的复合材料更多功能化，不但表现出优异的力学及电学性能，还具有优良的加工性能，为材料应用领域开启了新的篇章。
石墨烯悬浮溶液解决电池量产瓶颈
近年已有非常多文献利用石墨烯取代传统导电碳作为导电添加剂，藉由石墨烯的高导电性提升锂离子电池和超级电容器的功率密度，也提出非常多令人惊艳的数据。然而，实验室得出的惊人数据往往无法在产品量产时得到再现，且差异颇大。
出现巨大差距的原因在于石墨烯类似其他奈米材料，堆积密度极低造成体积庞大，且石墨烯相互之间凡德瓦尔力(vanderWaalsForce)所造成的团聚现象，都影响石墨烯导入应用的方便性。尤其是石墨烯表面不仅具有疏水性，对多数有机溶剂也不相容，因此当石墨烯添加于任一种材料时，团聚沈淀问题更显严重。
这个问题在实验室进行非常小量的实验生产时并不明显，或是可以靠简单的机械甚至是手工方式解决，但在大量生产时，从石墨烯进料开始就对机器设备产生极大的考验，一旦在进料时即发生团聚现象，往往造成设备堵塞甚至损坏，而无法均匀地分散石墨烯，也导致了效能不如预期的结果。
虽然一般直觉会利用分散剂来改善石墨烯团聚的问题，然而市面上多数的分散剂对于分散石墨烯不见得有效，更可能会因为界面阻抗而降低石墨烯的导电性能，对于电化学装置，特别是锂离子电池而言，分散剂能否在不同电压甚至是高电压的循环操作下稳定存在，而不会产生副反应或是影响安全性的疑虑，是更重要的考量。因此，如何在既有的操作环境下解决团聚的问题又不改变石墨烯的导电性，决定了石墨烯真正商品化的价值，而不仅仅是学术价值。
更进一步从锂离子电池厂商的现实执行面来看，纵使石墨烯能带来莫大的好处，最理想的使用方式还是能像其他原料一样，依据现有的制程条件，使用现有的制程设备，在不更动任何制程参数或设备的情况下导入石墨烯。因为任何制程的更动或设备的改变，不仅可能增加制程的变数，更直接增加产品成本，对于一个新材料而言，将大幅延长导入时程。
综观现有的锂离子电池制程，正极材料方面普遍采用聚偏氟乙烯(PVDF)为电极活性物质黏结剂，N-甲基吡咯烷酮(NMP)则为PVDF以及混浆的溶剂；在负极方面，使用水作为黏结剂与混浆溶剂，大部分使用羧甲基纤维素(CMC)以及丁苯橡胶(SBR)为黏结剂的主成分。结合上述几项要求，若要将石墨烯顺利导入锂离子电池应用，最佳方案是将石墨烯预先均匀分散在NMP与水的溶剂中，且最好不要使用现有成分以外的材料作为添加剂。在这个前提下，若能进一步提供浓缩分散溶液，更可以进一步降低运输成本。图3为石墨烯应用于锂离子电池的示意图。
图3石墨烯应用于电化学元件示意图
至于在石墨烯NMP悬浮溶液方面，市场上已有可提供最高浓度达6wt%的石墨烯悬浮溶液，且无添加其他任分散剂，在使用时只需要以NMP稀释至所需浓度，即可顺利衔接既有制程；在水性悬浮溶液方面，市场上也有可提供浓度为5wt%的中性水性悬浮液，虽然石墨烯因疏水性而需要添加分散剂辅助，但是分散剂均可于3.8V下稳定循环操作，而不会对电极材料或锂离子电池产生不良影响。碍于篇幅，下面简述石墨烯NMP悬浮溶液导入各种不同正极材料的结果。
石墨烯悬浮液有效强化正极材料
