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2.石墨烯复合正极材料

石墨烯与聚阴离子型正极材料的复合

尖晶石型的LiMn2O4以及橄榄石型的LiFePO4是目前实际应用较为广泛的锂电池正极材料。但这类材料的电子传导性差、Li+迁移过慢、大倍率充放电下电极与电解液间的电阻率大。一些研究中，引入石墨烯材料为解决这些问题带来了可行的途径。使用石墨烯改性的LiFePO4和LiMn2O4，电子的传导率和倍率性能有了明显提升。主要原因是石墨烯材料的使用大大缩短了锂离子在正极材料中的扩散路径，同时复合材料内部的高空隙率也为锂离子提供了大量的可嵌入空间，储锂容量和能量密度得到提升。例如，碳包覆LiFePO4/石墨烯纳米晶片（图6）在17mA/g的电流密度下充放电循环100次后，可逆储锂容量为158mAh/g，库伦效率高于97%。在60C下充放电后的可逆容量为83mAh/g，该材料的倍率性能很优异[7]。

图6C-LFP/GNs复合材料合成机理示意图

石墨烯与钒系材料复合

钒系材料作为锂电池正极材料成本低廉、电化学活性较高、能量密度高，受到了广泛的关注和大量工作者的深入研究。然而，钒系材料倍率性能较差、电荷转移电阻较高以及晶体结构容易粉化等缺陷制约其在实际应用领域的发展。

其中VO5理论比容量(440mAh/g)远高于现在商业化的锂离子电池的正极材料，是具有很大潜力的锂离子电池的正极材料。将VO5纳米颗粒与石墨烯复合来解决钒系材料电导率低、锂离子传输速率慢的的研究较多。引入石墨烯材料同时可以有效地解决其纳米颗粒之间团聚问题，从而更有效地发挥VO5原有的高容量潜力。V2O5是另一种备受关注的钒系材料，与VO5原理相同，石墨烯的引入同样可以提高其倍率性能。V2O5量子点/石墨烯纳米复合材料(VQDG)，如图7所示。在电流密度为50、100、200、500mA/g充放电检测，容量保持率分别为100%、96.92%、89.16%以及65.72%[8]。

图7 VQDG制备流程示意图

3.总结与展望

对于锂电的负极材料而言，过渡金属氧化物或具有前景的Si基材料进行石墨烯掺杂后在比容量、电压特性、内阻、充放电性能、循环性能、倍率性能等电化学性能方面已经表现出了优异的特性。石墨烯基中杂原子掺杂引入了更多的表面缺陷，提高石墨烯材料的电导率，得复合材料拥有更优良的性能。锂电正极材料类似，引入石墨烯材料到锂离子电池正极材料系统可以提高正极材料的电导率，保护正极材料避免粉化、崩塌，抑制正极材料的溶解。

石墨烯在锂电电极材料展现的优势是该领域较为关注的一个方面，为使电极材料性能发挥其本身具有的高容量潜力该方法将是较为可行的方法。在实现大规模工业化生产单层或几层石墨烯材料后，石墨烯将在锂电领域大展拳脚。就目前的研究现状而言，提高锂电的功率、容量性能一方面应该加强开发具备高容量特性的新材料体系；另一方面，可通过构建合理的材料结构，如通过对材料的尺寸、形貌、表面缺陷等的调控改变材料的电化学性能，当然电极材料本身的微观结构以及复合材料间相互作用如何影响材料电化学性能有待更深入的研究。

一张图看懂国内锂电PACK市场格局

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