石墨烯材料在鋰電池中的應(yīng)用與前景

通過對石墨烯結(jié)構(gòu)、性能的分析，簡要地分析總結(jié)了石墨烯在鋰離子電池正極材料、負(fù)極材料等方面的應(yīng)用，從而分析目前石墨烯材料的優(yōu)勢發(fā)揮和重點的研究方向，并對石墨烯在鋰離子電池領(lǐng)域的應(yīng)用前景進行一定的展望。

石墨烯作為一種新型納米材料，以其特殊的二維單層延伸碳結(jié)構(gòu)、出色的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、韌性及強度等優(yōu)異性能，在功能材料、能源等多個領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。其中石墨烯在鋰離子電池電極材料的優(yōu)化改進方面受到了人們的重視，將石墨烯材料用作電極材料或與其他材料的復(fù)合能夠在一定程度上發(fā)揮優(yōu)勢，對電池性能的提升有一定的效果。

一、前言導(dǎo)讀

鋰離子電池具有能量密度高、可逆容量大、開路電壓大、使用壽命長等特點。在對鋰離子電池電極材料的研究過程中，一些碳元素的同素異形體及混合物可以作為導(dǎo)電性能優(yōu)良的穩(wěn)定材料，常被用于開發(fā)新型鋰離子電池負(fù)極材料的研究。

石墨烯由于其質(zhì)量輕、導(dǎo)電性好、韌性高等優(yōu)勢成為材料研究層面的一大突破。2004年，Geim等人首次通過機械剝離法制得單層石墨烯，并發(fā)現(xiàn)了其特殊的電學(xué)、力學(xué)性質(zhì)，其在鋰離子電池電極材料的應(yīng)用也引起了人們的重視。

本文首先對石墨烯結(jié)構(gòu)與性能、制備等方面進行介紹，再對其在鋰離子電池正極材料、負(fù)極材料等方面的應(yīng)用簡要總結(jié)，分析其優(yōu)勢與特點，以對設(shè)計石墨烯材料鋰離子電池提供依據(jù)。

二、石墨烯概述

石墨烯是一種由碳原子組成的六角形呈蜂巢晶格的平面二維結(jié)構(gòu)納米材料，其C-C鍵長為0.141nm，理論密度約為0.77mg/m2，厚度僅為一個碳原子的直徑大小。碳原子以sp2的方式參與雜化，電子可以在層層之間順利傳導(dǎo)，故石墨烯導(dǎo)電性極好，是目前已知電阻率最小的材料，這也是石墨烯在電池發(fā)展前景廣闊的原因之一。

石墨烯材料具有出色的導(dǎo)熱性，其單層材料理論室溫?zé)醾鲗?dǎo)率可達3000-5000W/（m*K），這一性質(zhì)可用于研究電池工作時的熱量耗散問題。其力學(xué)性質(zhì)優(yōu)異，是一種韌性和強度極好的材料，可用于開發(fā)研究柔性電極材料。此外，石墨烯的高比表面積和高透光度也具有很高的研究價值。

三、石墨烯在鋰離子電池中的應(yīng)用

基于石墨烯的各項特殊理化性質(zhì)，石墨烯在電極材料研究領(lǐng)域開發(fā)潛力巨大。按照應(yīng)用領(lǐng)域的不同，石墨烯材料在鋰離子電池中的應(yīng)用大體可分為三類：石墨烯在正極材料中的應(yīng)用、在負(fù)極材料中的應(yīng)用和在鋰離子電池中的其他應(yīng)用。

1 石墨烯在正極材料中的應(yīng)用

對于鋰離子電池，可應(yīng)用的正極材料應(yīng)當(dāng)滿足可逆容量大、電位高且穩(wěn)定、無毒害、制作成本低等特點。目前較為常見的鋰離子電池正極材料多為磷酸鐵鋰材料，但LiFePO4的電導(dǎo)率差、鋰離子遷移率較低。若將LiFePO4材料與石墨烯復(fù)合，理論上可以改善其導(dǎo)電能力，提高倍率性能。

由于石墨烯材料的特殊性，在正極方面對石墨烯材料的研究相對較少。研究表明，用水熱法將石墨烯直接覆蓋在LiFePO4表面上制成復(fù)合材料的倍率性能提升效果并不理想，其原因可能是石墨烯材料結(jié)構(gòu)的堆疊或破壞。

研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯將LiFePO4半包裹后形成的材料可以提高LiFePO4材料的導(dǎo)電性能，但將其全包裹后離子傳輸效率下降，并推測可能是因為鋰離子無法通過石墨烯的六元環(huán)結(jié)構(gòu)。有研究人員將LiFePO4納米顆粒與氧化石墨進行超聲混合，制得了微觀結(jié)構(gòu)更加工整的LiFePO4/石墨烯復(fù)合材料。該材料經(jīng)過進一步的常規(guī)碳包覆后嵌鋰比容量大大提升，可在60C高倍率條件下仍然維持在70mAh/g左右。

2 石墨烯在負(fù)極材料中的應(yīng)用

鋰離子電池負(fù)極材料應(yīng)當(dāng)滿足氧化還原電位低且穩(wěn)定、可逆容量大、可形成致密穩(wěn)定SEI膜、對環(huán)境無毒害、制作成本低等條件。相對于正極材料，石墨烯在負(fù)極材料中的應(yīng)用研究更加廣泛深入。

石墨烯直接作為負(fù)極材料

石墨烯具有良好的導(dǎo)電性能，但其二維微觀結(jié)構(gòu)的易相互堆疊導(dǎo)致對石墨烯獨立電極材料的研究并不理想。主要表現(xiàn)為電池的倍率性能差、循環(huán)效率低等方面。Honma等制得的石墨烯可逆比容量在首次循環(huán)（50mA/g電流密度）中可以達到540mAh/g，但在多次循環(huán)后可逆比容量下降較快；而利用熱膨脹法獲得石墨烯在100mA/g電流密度首次循環(huán)時可以達到較高可逆比容量（1264mAh/g），且在40次循環(huán)后仍可保持較高的可逆比容量。

石墨烯復(fù)合負(fù)極材料

目前石墨烯負(fù)極復(fù)合材料主要有：過渡金屬氧化物/石墨烯復(fù)合材料和石墨烯改性硅基材料等。這一類復(fù)合材料的研究方向是利用石墨烯材料的導(dǎo)電性能和結(jié)構(gòu)特點輔助納米材料，改善其鋰離子傳輸速率，從而提高鋰離子電池的倍率性能，彌補原材料的缺陷和不足。

Si元素可用于鋰離子電池形成充電比容量極高的Li4.4Si，其放電電壓穩(wěn)定、自然儲量豐富的特點使其擁有極大的發(fā)展前景；但其在充放電過程中的體積變化嚴(yán)重，導(dǎo)致電池的循環(huán)效率較低。若用納米碳材料對Li4.4Si材料進行適當(dāng)?shù)陌瑒t可減緩這種體積效應(yīng)帶來的影響。Yushin等利用CVD法將Si膜形成在石墨烯材料的表面，并用丙烯在高溫條件下進行了碳包覆以增強其導(dǎo)電性，制得了一種Si/(G+C)復(fù)合材料，有效地實現(xiàn)了對鋰-硅材料充放電過程中體積效應(yīng)的改善，增強了電池循環(huán)性能。但是這類材料的制備成本較高，材料也具有易燃的性質(zhì)，在安全方面具有一定的問題，但可以看作是石墨烯復(fù)合材料改善原材料缺陷的典例之一。

過渡金屬氧化物在金屬元素不同氧化態(tài)之間的轉(zhuǎn)化過程中具有十分可觀的理論容量，但其獨立材料存在體積效應(yīng)大、電子傳輸速率低等問題。如果將金屬氧化物的納米材料附著于石墨烯表面，則可以防止顆粒之間的團聚，同時充分發(fā)揮石墨烯材料的比表面積優(yōu)勢和過渡金屬氧化物的高容量優(yōu)勢，提高鋰離子的傳輸速率。

3石墨烯在鋰離子電池中的其他應(yīng)用

鑒于其優(yōu)異的導(dǎo)電性能，石墨烯材料可以作為導(dǎo)電添加劑優(yōu)化電池的電導(dǎo)率。Han等將石墨烯材料加入Si納米材料中，其改性效果優(yōu)于一般的導(dǎo)電添加劑如天然石墨等。其首次循環(huán)可逆比容量高達2347mAh/g，循環(huán)20次后仍可達2041mAh/g；Song等將石墨烯作為導(dǎo)電添加劑加入到石墨材料當(dāng)中，優(yōu)化了石墨材料的導(dǎo)電性能。其機理是石墨烯材料以層狀結(jié)構(gòu)搭建在石墨之間，類似于構(gòu)建起電子通過的“橋梁”。這種材料與石墨接觸面積大，避免在多次循環(huán)后類似乙炔黑顆粒的體積變化、與石墨材料接觸面積減小而導(dǎo)致的性能下降。

此外，石墨烯由于其出色的力學(xué)強度和韌性在制備可變形性強的鋰離子電池方面也發(fā)揮了獨特作用。He等將對苯二甲酸乙二酯表面涂上石墨烯薄膜形成的復(fù)合材料具有可觀的柔性，并且減小了材料的密度，優(yōu)化了其性能；Cheng等則將石墨烯材料真空抽濾附著在濾紙表面，制得了力學(xué)性質(zhì)和導(dǎo)電性能都較為優(yōu)越的石墨烯/纖維素復(fù)合材料。

四、總結(jié)與展望

與傳統(tǒng)塊體材料相比，石墨材料具有優(yōu)越的導(dǎo)電性能、導(dǎo)熱性能、韌性以及極為輕薄的二維結(jié)構(gòu)，使其在鋰離子電池新型電極材料的開發(fā)研究領(lǐng)域具有廣闊的前景。

然而，在石墨烯電極材料開發(fā)的初級階段，仍有許多問題需要解決，例如復(fù)合材料的循環(huán)性能由于材料微觀結(jié)構(gòu)不可逆改變而嚴(yán)重下降；電池的倍率性能大小不夠理想；材料制備成本對實際使用推廣的局限作用等。

為了解決這些主要問題，近年來，對于石墨烯電極材料性能的優(yōu)化研究主要集中于以下幾個方向：

1、提高電池的可逆比容量，提升電池的充放電性能，延長電池壽命；

2、提高電極材料的電子傳遞速率和脫嵌鋰離子速率，提高鋰離子電池倍率性能，實現(xiàn)快速充電；

3、拓展新型納米材料的實際應(yīng)用，充分發(fā)揮不同納米材料的綜合優(yōu)勢；

4、開發(fā)可變形性強的電池材料，提升電池的環(huán)境適應(yīng)能力，增強石墨烯電極材料在柔性電池方面的應(yīng)用；

5、開發(fā)優(yōu)化新型生產(chǎn)工藝，降低石墨烯電極材料生產(chǎn)成本，實現(xiàn)電池的大批量商業(yè)化生產(chǎn)；

6、積極尋找化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、綠色環(huán)保無污染的復(fù)合材料，實現(xiàn)電池環(huán)境友好，減少電極材料可能造成的安全隱患和污染。