石墨烯负极材料在锂电池中的作用和发展

来源：维多利亚3308  日期：2019-04-11 14:17  浏览量：次

　　石墨烯负极材料在锂电池中的作用和发展。石墨烯因其高导电、导热效应等而备受储能领域的关注，其复合材料用作锂电池负极材料是显著提升了锂电池的电化学性能。

　　众所周知，电池的能量密度和寿命是两个最重要的评价指标，而锂电池又是当今能量密度最高的二次电池。但作为动力电池的工程需求，它需要一个较大的能量密度提升过程，这就给了某些投机者的钻营空间，还起了个好听的名字——石墨烯锂电池。目前成熟锂电池制造主要是采用石墨作为负极材料。

　　石墨烯负极材料

　　石墨烯由于其独特的二维结构、优异的电子传输能力以及超大的比表面积等优势极有潜力替代石墨成为新一代锂电池负极材料。石墨烯的储锂机制与其他碳材料相似，充电时锂离子从正极脱出经过电解质嵌入碳材料层间形成形成Li2C6，放电时锂离子脱出返回正极。

　　因此较之石墨，以石墨烯为负极更有利于提高电池性能。从石墨烯电池的概念提出以来，很多学术研究成果表明石墨烯锂电池可逆容量可达500mAh/g以上，以及具有出色的倍率性能。

　　石墨烯负极材料在锂电池中的作用

　　与传统锂电池负极材料相比较，石墨烯作为锂电池负极材料时，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。

　　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。

　　石墨烯负极材料在锂电池中的发展

　　1.国际石墨烯发展现状。目前国际上从事石墨烯产业研究的国家包括英国、美国、欧盟、韩国和日本等，各国发展状况不同。

　　英国：作为石墨烯的“诞生地”，英国在石墨烯的基础研发方面居于全球领先地位，但从事商业开发的石墨烯企业较少，因此在石墨烯应用方面并非其强项。

　　美国：美国对石墨烯的研究投入较早，石墨烯产业化和应用进程相对较快，其产业布局也呈现多元化，产业链相对比较完整。

　　欧盟：欧盟的石墨烯研究起步早且系统性强，并将石墨烯研究提升至战略高度，资金支持力度大，基础研究扎实。

　　韩国：韩国石墨烯产业发展产学研结合紧密，在基础研究及产业化方面发展较为均衡，整体发展速度较快。

　　日本：日本依托其良好的碳材料产业基础，是全球最先进行石墨烯研究的国家之一，产学研结合较为紧密，整体发展较为全面。

　　2.国内石墨烯发展现状。从专利数量上来看，我国国内石墨烯领域专利申请量主要集中在长三角地区，其中江苏的申请量居于首位(4102件)，广东(2537件)和北京(2333件)次之，而东北和西部地区的专利申请量较低。从产业集聚度来看，国内目前的石墨烯公司大多分布在东部沿海一带，尤其是长三角、珠三角、京津冀鲁聚合区。

　　石墨烯的锂电池负极材料需要明确结构、掺杂以及制备复合情况。电磁负极材料的研究能够增强石墨烯的应用效率，降低材料投入成本实现石墨烯应用的商业化发展。根据石墨烯负极材料行为和原位表征情况中的元素组成能够进一步分析出结构发生的变化，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。