石墨烯負(fù)極材料在鋰電池中的作用和發(fā)展

來(lái)源：存能電氣  日期：2019-04-11 14:17  瀏覽量：次

　　石墨烯負(fù)極材料在鋰電池中的作用和發(fā)展。石墨烯因其高導(dǎo)電、導(dǎo)熱效應(yīng)等而備受儲(chǔ)能領(lǐng)域的關(guān)注，其復(fù)合材料用作鋰電池負(fù)極材料是顯著提升了鋰電池的電化學(xué)性能。

　　眾所周知，電池的能量密度和壽命是兩個(gè)最重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)，而鋰電池又是當(dāng)今能量密度最高的二次電池。但作為動(dòng)力電池的工程需求，它需要一個(gè)較大的能量密度提升過(guò)程，這就給了某些投機(jī)者的鉆營(yíng)空間，還起了個(gè)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(fù)極材料。

　　石墨烯負(fù)極材料

　　石墨烯由于其獨(dú)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(shì)極有潛力替代石墨成為新一代鋰電池負(fù)極材料。石墨烯的儲(chǔ)鋰機(jī)制與其他碳材料相似，充電時(shí)鋰離子從正極脫出經(jīng)過(guò)電解質(zhì)嵌入碳材料層間形成形成Li2C6，放電時(shí)鋰離子脫出返回正極。

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

　　石墨烯負(fù)極材料在鋰電池中的作用

　　與傳統(tǒng)鋰電池負(fù)極材料相比較，石墨烯作為鋰電池負(fù)極材料時(shí)，可有效提高相應(yīng)電池的比容量，增強(qiáng)電極和電解液之間的導(dǎo)電接觸，改善其充/放電倍率性能。同時(shí)，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(guò)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(guò)化學(xué)氧化插層—?jiǎng)冸x—再還原法合成的化學(xué)還原石墨烯表面含有特定的含氧化學(xué)基團(tuán)，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(fù)合提供豐富的反應(yīng)和鍵合位點(diǎn)，也為三維超結(jié)構(gòu)石墨烯基復(fù)合材料的設(shè)計(jì)和合成提供多種可能的途徑。

　　由于石墨烯片之間較強(qiáng)的π-π疊合作用，石墨烯可團(tuán)聚形成類似于石墨的層狀結(jié)構(gòu)，進(jìn)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(lái)石墨烯基納米復(fù)合材料，如石墨烯/碳納米管、石墨烯/碳60(C60)、石墨烯/無(wú)機(jī)納米粒子等復(fù)合材料被廣泛地應(yīng)用于鋰離子電池負(fù)極材料研究。通過(guò)納米粒子與石墨烯之間的有效復(fù)合，可有效阻止石墨烯片之間的疊合/團(tuán)聚，有利于鋰離子的嵌脫。

　　石墨烯負(fù)極材料在鋰電池中的發(fā)展

　　1.國(guó)際石墨烯發(fā)展現(xiàn)狀。目前國(guó)際上從事石墨烯產(chǎn)業(yè)研究的國(guó)家包括英國(guó)、美國(guó)、歐盟、韓國(guó)和日本等，各國(guó)發(fā)展?fàn)顩r不同。

　　英國(guó)：作為石墨烯的“誕生地”，英國(guó)在石墨烯的基礎(chǔ)研發(fā)方面居于全球領(lǐng)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(yīng)用方面并非其強(qiáng)項(xiàng)。

　　美國(guó)：美國(guó)對(duì)石墨烯的研究投入較早，石墨烯產(chǎn)業(yè)化和應(yīng)用進(jìn)程相對(duì)較快，其產(chǎn)業(yè)布局也呈現(xiàn)多元化，產(chǎn)業(yè)鏈相對(duì)比較完整。

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

　　韓國(guó)：韓國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展產(chǎn)學(xué)研結(jié)合緊密，在基礎(chǔ)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(chǔ)，是全球最先進(jìn)行石墨烯研究的國(guó)家之一，產(chǎn)學(xué)研結(jié)合較為緊密，整體發(fā)展較為全面。

　　2.國(guó)內(nèi)石墨烯發(fā)展現(xiàn)狀。從專利數(shù)量上來(lái)看，我國(guó)國(guó)內(nèi)石墨烯領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)量主要集中在長(zhǎng)三角地區(qū)，其中江蘇的申請(qǐng)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(qǐng)量較低。從產(chǎn)業(yè)集聚度來(lái)看，國(guó)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(zhǎng)三角、珠三角、京津冀魯聚合區(qū)。

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