石墨烯電池的正負極材料運用與未來發(fā)展

墨烯（Graphene）是一種由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)的新材料。是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度的二維材料。石墨烯一直被認為是假設(shè)性的結(jié)構(gòu)，無法單獨穩(wěn)定存在，直至2004年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆（Andre Geim）和康斯坦丁·諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov），成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯，而證實它可以單獨存在，兩人也因“在二維石墨烯材料的開創(chuàng)性實驗”，共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。并且，石墨烯在自然界也有產(chǎn)出，它體現(xiàn)為高能物理狀態(tài)下的圈量子的粒子態(tài)相。

　　石墨烯具有獨特的二維結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的性能和各種潛在的應(yīng)用價值，是當前材料科學領(lǐng)域研究的熱點，石墨烯基納米材料是一種很有吸引力的鋰離子電池電極材料，尤其針對高能量密度與高功率密度電池?！　?/p>

? ? ?石墨烯電池，利用鋰離子在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運動的特性，開發(fā)出的一種新能源電池。

　　石墨烯電池的原理

　　石墨烯電池利用環(huán)境熱量自行充電的試驗

　　石墨烯電池在飽和氯化銅溶液中，時間（小時、天數(shù)）和產(chǎn)生電壓的關(guān)系。

　　實驗制成電路其中包含LED，用電線連接到帶狀石墨烯。他們只是把石墨烯放在氯化銅（copper chloride）溶液中，進行觀察。LED燈亮了。實際上，他們需要6個石墨烯電路，形成串聯(lián)，這樣就可產(chǎn)生所需的2V，使LED燈發(fā)亮，就可以得到這個圖片。

　　徐子涵和同事說，這里發(fā)生情況就是銅離子具有雙重正電荷，穿過溶液的速度約每秒300米，因為溶液在室溫下的熱能量。當離子猛烈撞入石墨烯帶時，碰撞會產(chǎn)生足夠的能量，使不在原位的電子離開石墨烯。電子有兩種選擇：可以離開石墨烯帶，和銅離子結(jié)合，也可以穿過石墨烯，進入電路。

　　原來，流動的電子在石墨烯中更快，超過它穿過溶液的速度，所以電子自然會選擇路徑，穿過電路。正是這一點點亮了LED燈“釋放的電子更傾向于穿過石墨烯表面，而不是進入電解液。設(shè)備就是這樣產(chǎn)生電壓的，”徐子涵說。

　　因此，這個裝置產(chǎn)生的能量來自周圍環(huán)境的熱量。他們可以提高電流，只需加熱溶液，也可用超聲波加快銅離子。只依靠周圍熱量，就可以使他們的石墨烯電池持續(xù)運行20天。但是，還有一個重要的問號。另一個假設(shè)是某種化學反應(yīng)產(chǎn)生電流，就像普通的電池。

　　然而，徐子涵和同事說，他們排除了這一點，因為進行了幾組控制實驗。然而，這些是在一些補充材料中介紹的，他們似乎并沒有放在arXiv網(wǎng)站上。他們需要趕在別人做出嚴肅聲明之前公開。從表面價值來看，這看起來是一項非常重要的成果。其他人也在石墨烯中產(chǎn)生過電流，但只是讓水流過它，所以這并不真的使人吃驚，移動的離子也可以產(chǎn)生這樣的效果。這預(yù)示著清潔的綠色電池，只依靠環(huán)境熱量驅(qū)動。徐子涵和同事說：“這代表著一個巨大的突破，研究的是自驅(qū)動技術(shù)”。

　　石墨烯在鋰電正極和負極材料的應(yīng)用前景

　　正極材料

　　當前市場常見的正極材料是鈷酸鋰、錳酸鋰、三元材料（鎳鈷錳酸鋰）和磷酸鐵鋰。在動力電池領(lǐng)域，錳酸鋰和磷酸鐵是最有前途的正極材料。

　　負極材料

　　主導(dǎo)鋰電池市場的負極材料-------石墨

　　優(yōu)點：價格低廉，來源廣泛。

　　缺點：電容量小，循環(huán)使用衰減大，壓實密度低。

　　未來可能應(yīng)用的負極材料------非炭基負極材料，例如過渡金屬氧化物、硅基材料和合金材料。

　　優(yōu)點：電容量遠超于石墨。

　　缺點：存在一個致命的體積膨脹效應(yīng)，循環(huán)性能差。

天然石墨（a）與石墨烯（b）電極前三次充放電曲線

　　石墨烯是近年來研究較多的一種新型材料，具有良好的導(dǎo)電性能和倍率性能，在鋰離子電池正極材料和負極材料領(lǐng)域極具應(yīng)用潛力。

　　在正極復(fù)合材料中，石墨烯二維高比表面積的特殊結(jié)構(gòu)及優(yōu)異的電子傳輸能力，能有效改善正極材料的導(dǎo)電性能，提高鋰離子的擴散傳輸能力。相比于傳統(tǒng)導(dǎo)電添加劑，石墨烯導(dǎo)電劑的優(yōu)勢在于能用較少的添加量，達到更優(yōu)異的電化學性能。此外，也有石墨烯包覆正極材料如磷酸鐵鋰，錳酸鋰的相關(guān)報道。

　　負極材料方面，純石墨烯材料由于首次循環(huán)庫侖效率低、充放電平臺較高以及循環(huán)穩(wěn)定性較差，并不能取代目前商用的碳材料直接作為鋰離子電池負極材料使用。但石墨烯可以作為一種優(yōu)異的基體材料在鋰電池復(fù)合電極材料中發(fā)揮更大的作用。將石墨烯與天然石墨、碳納米管、富勒烯等碳材料復(fù)合，能利用石墨烯的特殊片層結(jié)構(gòu)，改善材料的力學性能和電子傳輸能力。同時，摻雜后的石墨烯片層間距增大，提供更多的儲鋰空間。

石墨烯的應(yīng)用前景

石墨烯的應(yīng)用方向

　此外，石墨烯還可以用于改性其他非碳基負極材料。目前研究的鋰離子電池非碳基負極材料主要有錫基、硅基以及過渡金屬類為主的電極材料，這類材料具有高理論容量，但其缺點是在嵌鋰/脫鋰過程中體積膨脹收縮變化明顯。石墨烯摻雜改性后的復(fù)合材料能改善這兩種材料單獨使用時的缺點。

　　其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾方面：