石墨烯負極材料在鋰電池中的作用和發(fā)展

來源：存能電氣  日期：2019-04-11 14:17  瀏覽量：次

　　石墨烯負極材料在鋰電池中的作用和發(fā)展。石墨烯因其高導電、導熱效應等而備受儲能領域的關(guān)注，其復合材料用作鋰電池負極材料是顯著提升了鋰電池的電化學性能。

　　眾所周知，電池的能量密度和壽命是兩個最重要的評價指標，而鋰電池又是當今能量密度最高的二次電池。但作為動力電池的工程需求，它需要一個較大的能量密度提升過程，這就給了某些投機者的鉆營空間，還起了個好聽的名字——石墨烯鋰電池。目前成熟鋰電池制造主要是采用石墨作為負極材料。

　　石墨烯負極材料

　　石墨烯由于其獨特的二維結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的電子傳輸能力以及超大的比表面積等優(yōu)勢極有潛力替代石墨成為新一代鋰電池負極材料。石墨烯的儲鋰機制與其他碳材料相似，充電時鋰離子從正極脫出經(jīng)過電解質(zhì)嵌入碳材料層間形成形成Li2C6，放電時鋰離子脫出返回正極。

　　因此較之石墨，以石墨烯為負極更有利于提高電池性能。從石墨烯電池的概念提出以來，很多學術(shù)研究成果表明石墨烯鋰電池可逆容量可達500mAh/g以上，以及具有出色的倍率性能。

　　石墨烯負極材料在鋰電池中的作用

　　與傳統(tǒng)鋰電池負極材料相比較，石墨烯作為鋰電池負極材料時，可有效提高相應電池的比容量，增強電極和電解液之間的導電接觸，改善其充/放電倍率性能。同時，石墨烯“柔韌”的單原子層二維結(jié)構(gòu)也可有效抑制電極材料在充放電過程中發(fā)生體積變化引起的材料膨脹、粉化等，從而提高電池的循環(huán)穩(wěn)定性。

　　此外，通過化學氧化插層—剝離—再還原法合成的化學還原石墨烯表面含有特定的含氧化學基團，如羧基、羥基和環(huán)氧基等，可為其結(jié)構(gòu)和表面功能改性以及與其他材料的復合提供豐富的反應和鍵合位點，也為三維超結(jié)構(gòu)石墨烯基復合材料的設計和合成提供多種可能的途徑。

　　由于石墨烯片之間較強的π-π疊合作用，石墨烯可團聚形成類似于石墨的層狀結(jié)構(gòu)，進而影響鋰離子的嵌脫。這也證明純石墨烯并非是一種理想的鋰電池電極材料。

　　因此，近兩年來石墨烯基納米復合材料，如石墨烯/碳納米管、石墨烯/碳60(C60)、石墨烯/無機納米粒子等復合材料被廣泛地應用于鋰離子電池負極材料研究。通過納米粒子與石墨烯之間的有效復合，可有效阻止石墨烯片之間的疊合/團聚，有利于鋰離子的嵌脫。

　　石墨烯負極材料在鋰電池中的發(fā)展

　　1.國際石墨烯發(fā)展現(xiàn)狀。目前國際上從事石墨烯產(chǎn)業(yè)研究的國家包括英國、美國、歐盟、韓國和日本等，各國發(fā)展狀況不同。

　　英國：作為石墨烯的“誕生地”，英國在石墨烯的基礎研發(fā)方面居于全球領先地位，但從事商業(yè)開發(fā)的石墨烯企業(yè)較少，因此在石墨烯應用方面并非其強項。

　　美國：美國對石墨烯的研究投入較早，石墨烯產(chǎn)業(yè)化和應用進程相對較快，其產(chǎn)業(yè)布局也呈現(xiàn)多元化，產(chǎn)業(yè)鏈相對比較完整。

　　歐盟：歐盟的石墨烯研究起步早且系統(tǒng)性強，并將石墨烯研究提升至戰(zhàn)略高度，資金支持力度大，基礎研究扎實。

　　韓國：韓國石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展產(chǎn)學研結(jié)合緊密，在基礎研究及產(chǎn)業(yè)化方面發(fā)展較為均衡，整體發(fā)展速度較快。

　　日本：日本依托其良好的碳材料產(chǎn)業(yè)基礎，是全球最先進行石墨烯研究的國家之一，產(chǎn)學研結(jié)合較為緊密，整體發(fā)展較為全面。

　　2.國內(nèi)石墨烯發(fā)展現(xiàn)狀。從專利數(shù)量上來看，我國國內(nèi)石墨烯領域?qū)＠暾埩恐饕性陂L三角地區(qū)，其中江蘇的申請量居于首位(4102件)，廣東(2537件)和北京(2333件)次之，而東北和西部地區(qū)的專利申請量較低。從產(chǎn)業(yè)集聚度來看，國內(nèi)目前的石墨烯公司大多分布在東部沿海一帶，尤其是長三角、珠三角、京津冀魯聚合區(qū)。

　　石墨烯的鋰電池負極材料需要明確結(jié)構(gòu)、摻雜以及制備復合情況。電磁負極材料的研究能夠增強石墨烯的應用效率，降低材料投入成本實現(xiàn)石墨烯應用的商業(yè)化發(fā)展。根據(jù)石墨烯負極材料行為和原位表征情況中的元素組成能夠進一步分析出結(jié)構(gòu)發(fā)生的變化，進一步研究和制造具有實際應用價值的石墨烯基動力型鋰離子電池奠定基礎。