石墨烯在锂离子电池电极材料中的应用-第2页-北极星储能网

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二、石墨烯在锂离子电池负极材料中的应用

与传统锂离子电池负极材料相比较，石墨烯作为锂离子电池负极材料时，可有效提高相应电池的比容量，增强电极和电解液之间的导电接触，改善其充/放电倍率性能。同时，石墨烯“柔韧”的单原子层二维结构也可有效抑制电极材料在充放电过程中发生体积变化引起的材料膨胀、粉化等，从而提高电池的循环稳定性。此外，通过化学氧化插层—剥离—再还原法合成的化学还原石墨烯表面含有特定的含氧化学基团，如羧基、羟基和环氧基等，可为其结构和表面功能改性以及与其他材料的复合提供丰富的反应和键合位点，也为三维超结构石墨烯基复合材料的设计和合成提供多种可能的途径。

实验研究发现，由纯石墨烯所构建的锂离子电池负极，其在较低充/放电电流密度（0.05~0.1A˙g–1）下，首次充/放电的比容量可高达1264mAh˙g–1，远高于目前商业化的石墨基负极的比容量(372mAh˙g–1)。但是，在较高充/放电电流条件下，其比容量会急剧下降，循环稳定性也较差。主要原因是将纯的石墨烯作为锂离子电池负极时，由于石墨烯片之间较强的π-π叠合作用，石墨烯可团聚形成类似于石墨的层状结构，进而影响锂离子的嵌脱。这也证明纯石墨烯并非是一种理想的锂离子电池电极材料。

因此，近两年来石墨烯基纳米复合材料，如石墨烯/碳纳米管、石墨烯/碳60（C60）、石墨烯/无机纳米粒子等复合材料被广泛地应用于锂离子电池负极材料研究。通过纳米粒子与石墨烯之间的有效复合，可有效阻止石墨烯片之间的叠合/团聚，有利于锂离子的嵌脱。

同时，二维层状结构石墨烯与纳米粒子间的复合可产生大量的孔/洞（pore/cavity）结构，可缓解/降低在锂离子嵌脱过程中对电极材料造成的体积膨胀和收缩，从而提高电池的循环性能和结构稳定性，对电池的实际应用具有十分重要的影响。研究还表明，石墨烯基纳米复合材料锂离子电池负极一般也拥有较高比容量和倍率特性。

但是从材料学的角度来分析，诸如碳纳米管、C60以及目前研究较多的无机纳米粒子等作为锂离子电池电极材料时，其循环稳定性、倍率特性以及规模化宏量制备的技术和成本还有待于进一步提高。

三、石墨烯在锂离子电池应用中面临的主要问题

石墨烯在锂离子电池应用中面临的问题有：

（1）高品质石墨烯的规模化可控制备。经过多年的研究和探索，人们已成功开发出了高取向热裂解石墨的微机械剥离法以及以碳氢化合物为原料，金属镍和铜单晶为取向基材的化学气相沉积（CVD）法，然而，这些方法/技术存在产率低和成本高等不足，很难满足工业化和规模化生产的要求，也无法满足锂离子电池电极中的宏量需求。

以石墨为原料，通过氧化插层—剥离—再还原的方法，可宏量制备石墨烯。但是，由于在氧化插层石墨的过程中大量使用了强酸和强氧化性物质，这不仅在石墨烯的表面引入大量的含氧基团，同时对石墨烯的共轭结构造成较大程度的破坏，氧化石墨烯导电率极低，这将直接影响石墨烯的某些固有性质以及其应用。

（2）石墨烯与电极材料活性物质的有效复合问题，由于石墨烯的化学惰性，其与电极材料活性物质的复合多为较弱的物理相互作用，复合材料结构稳定性较差，严重影响其实际应用。

（3）在电极材料和电池制备过程中石墨烯的团聚问题。

四、结束语

石墨烯具有大的比表面积、良好的机械性能和导电性、高的化学稳定性，使其有望解决锂离子电池面临的有效比容量低、倍率性能差（大电流充放电）、循环寿命短、一定条件下安全性能差等问题。

为了使石墨烯在锂离子电池领域充分发挥其优异的性能，

首先，应开展石墨烯的宏量制备研究，力争制备出从数量、质量和价格上能满足锂离子电池需求的高质量单分散石墨烯；

其次，探索使石墨烯与电极材料有效复合且适用于工业化生产的工艺条件。

通过以上研究，可为发挥石墨烯独有的材料特性，进一步研究和制造具有实际应用价值的石墨烯基动力型锂离子电池奠定基础。

迄今最稳定三电荷负离子现身有望在铝电池等领域大显身手

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