石墨烯正極材料和負極材料在鋰電池中的應用

來源：存能電氣  日期：2019-07-08 14:26  瀏覽量：次

　　石墨烯正極材料和負極材料在鋰電池中的應用。石墨烯被認為是理想的鋰離子電池電極材料。石墨烯的使用不僅可以提高鋰電池的電化學性能，也有望提高電極材料乃至電池整體的熱傳導性能。

　　石墨烯用做鋰電池負極材料，相對于傳統(tǒng)炭系材料并無性能上的明顯優(yōu)勢，而且納米材料應用困難，成本高昂，發(fā)展前景堪憂。眾所周知石墨烯具有高導電性、高導熱性、高比表面積、高強度和剛度等諸多優(yōu)良特性，在儲能、光電器件、化學催化等諸多領域獲得了廣泛的應用。

　　石墨烯鋰電池在正極材料中的應用

　　鋰電池的正極材料例如常用LiCoO2、LiMn2O4和LiFePO4都是不良的電子導體，它們的電導率分別為10-4、10-6和10-9Scm-1。在目前現(xiàn)有的鋰離子電池體系中，電池使用的正負極材料本身具有較低的離子與電子電導率，這是影響和限制鋰電池充放電循環(huán)和倍率性能的主要因素。

　　所以為了充放電過程中充分有效利用正極材料同時能提高鋰電池的倍率性能，要在正極材料中加入導電劑，傳統(tǒng)的導電劑一般是石墨。而石墨烯本身具有非常高的電子傳導率，用石墨烯作為導電添加劑是其在鋰電池中最直接，也是最廣泛的應用。

　　石墨烯三元正極材料和導電漿料是動力電池的核心材料，直接關系著動力電池的性能。石墨烯改性三元材料在倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)三元材料，能夠大幅提高新能源汽車的續(xù)航里程。三元正極材料的投產(chǎn)，將大大提高鋰電池的倍率性能，降低了鋰電池的內(nèi)阻，進而從材料上解決電池續(xù)航時間短的瓶頸問題，可滿足國內(nèi)國際動力汽車鋰電池亟需的技術及規(guī)模需求。

　　石墨烯作為導電劑的問題

　　對于石墨烯導電劑的實際應用，需要綜合考慮石墨烯對電子電導的“面-點”促進作用和對離子傳導的“位阻效應”；針對導電劑用量和最終電池的能量/功率密度綜合考慮設計電極的厚度。對于LFP體系的鋰離子電池，由于石墨烯對鋰離子傳輸?shù)挠绊懛浅?，所以需要特別注意電極的厚度。

　　石墨烯在負極材料中的應用

　　目前鋰電池常用的負極材料是石墨，用石墨烯作負極材料的優(yōu)勢有：

　　（1）石墨烯導電性能好，耐腐蝕，用作負極材料可以增強活性物質(zhì)與集流體的導電性；

　?。?）石墨烯片層作為單層二維結(jié)構(gòu)，原則上不存在體積膨脹，所以結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，充放電快，循環(huán)性能好；

　?。?）納米顆粒原位法合成于石墨烯表面形成基復合材料，通過控制其生長顆粒的尺寸，從而縮短鋰離子和電子擴散距離，改善材料的倍率性能；

　　（4）納米顆粒均勻覆蓋在石墨烯表面，一定程度能防止石墨烯片層聚合和電解質(zhì)浸入石墨烯片層，導致電極材料失效。

　　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。

　　石墨烯具有大的比表面積、良好的機械性能和導電性、高的化學穩(wěn)定性，使其有望解決鋰離子電池面臨的有效比容量低、倍率性能差（大電流充放電）、循環(huán)壽命短、一定條件下安全性能差等問題。