石墨烯鋰電池原理,石墨烯在鋰電池負(fù)極材料的應(yīng)用

來(lái)源：存能電氣  日期：2019-08-21 13:35  瀏覽量：次

　　石墨烯鋰電池原理，石墨烯在鋰電池負(fù)極材料的應(yīng)用。隨著傳統(tǒng)燃煤發(fā)電對(duì)環(huán)境的污染，以及核電的安全問(wèn)題等原因，近年來(lái)太陽(yáng)能光伏行業(yè)作為一種新型綠色能源越來(lái)越受到人們的重視。目前，對(duì)于石墨烯材料在發(fā)電和儲(chǔ)能領(lǐng)域的研宄主要集中于利用石墨烯替代碳作為鋰電池和超級(jí)電容器的電極材料。但是，還未有直接利用石墨烯作為發(fā)電和電池器件主要功能部件的研宄。本篇文章就介紹石墨烯鋰電池原理及在鋰電池負(fù)極材料的應(yīng)用。

　　石墨烯鋰電池原理

　　石墨烯，是由碳原子組成的單原子層平面薄膜，厚度僅為0.34納米，單層厚度相當(dāng)于頭發(fā)絲直徑的十五萬(wàn)分之一。是目前世界上已知的最輕薄、最堅(jiān)硬的納米材料，透光性好，能折疊。自問(wèn)世以來(lái)，就因?yàn)槠鋸?qiáng)大的導(dǎo)電性能被看做革命性的儲(chǔ)能材料，按照新國(guó)標(biāo)檢測(cè)，其循環(huán)壽命達(dá)4000次以上，使用溫度范圍從零下30攝氏度至零上70攝氏度。在保證一定續(xù)駛里程的基礎(chǔ)上，可實(shí)現(xiàn)大電流快速充電和超長(zhǎng)的循環(huán)使用壽命。

　　銅離子具有雙重正電荷，穿過(guò)溶液的速度約每秒300米，因?yàn)槿芤涸谑覝叵碌臒崮芰?。?dāng)鋰離子猛烈撞入石墨烯帶時(shí)，碰撞會(huì)產(chǎn)生足夠的能量，使不在原位的電子離開(kāi)石墨烯。電子有兩種選擇：可以離開(kāi)石墨烯帶，和銅離子結(jié)合，也可以穿過(guò)石墨烯，進(jìn)入電路。

　　流動(dòng)的電子在石墨烯中更快，超過(guò)它穿過(guò)溶液的速度，所以電子自然會(huì)選擇路徑，穿過(guò)電路。釋放的電子更傾向于穿過(guò)石墨烯表面，而不是進(jìn)入電解液。設(shè)備就是這樣產(chǎn)生電壓的。

　　石墨烯鋰電池正負(fù)極材料方面的優(yōu)勢(shì)

　　1)石墨烯具有超大的比表面積(2630m2/g)，可降低鋰電池極化，從而減少因極化造成的能量損失。

　　2)石墨烯具有優(yōu)良的導(dǎo)電和導(dǎo)熱特性，即具備良好的電子傳輸通道和穩(wěn)定性。

　　3)石墨烯片層的尺度在微納米量級(jí)，遠(yuǎn)小于體相石墨的，這使得Li+在石墨烯片層之間的擴(kuò)散路徑縮短；片層間距的增大也有利于Li+的擴(kuò)散傳輸，有利于鋰離子電池功率性能的提高。

　　石墨烯在鋰電池負(fù)極材料的應(yīng)用

　　隨著批量化生產(chǎn)以及大尺寸等難題的逐步突破，石墨烯的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用步伐正在加快，基于已有的研究成果，最先實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的領(lǐng)域可能會(huì)是移動(dòng)設(shè)備、航空航天、新能源鋰電池領(lǐng)域。

　　純石墨烯材料由于低、首次循環(huán)庫(kù)侖效率充放電平臺(tái)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(fù)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(xué)性能和電子傳輸能力。同時(shí)，摻雜后的石墨烯片層間距增大，提供更多的儲(chǔ)鋰空間。

　　此外，石墨烯還可以用于改性其他非碳基負(fù)極材料。目前研究的鋰電池非碳基負(fù)極材料主要有錫基、硅基以及過(guò)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(diǎn)是在嵌鋰/脫鋰過(guò)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(dú)使用時(shí)的缺點(diǎn)。

　　●應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

　　1.石墨烯片層柔韌，可有效緩沖金屬類電極材料的體積膨脹；

　　2.石墨烯優(yōu)異的導(dǎo)電性能可以增強(qiáng)金屬電極材料的電子傳輸能力；

　　3.石墨烯表面的活化核點(diǎn)能控制在其表面生長(zhǎng)的金屬氧化物顆粒保持在納米尺寸，改善材料的倍率性能；

　　4.復(fù)合材料的比容量相對(duì)于純石墨烯有較大提高；

　　5.金屬或金屬氧化物的納米顆粒能保護(hù)石墨烯表層，防止電解質(zhì)插入石墨烯片層導(dǎo)致電極材料剝落現(xiàn)象。

　　石墨烯在鋰電池電極材料展現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)是該領(lǐng)域較為關(guān)注的一個(gè)方面，為使電極材料性能發(fā)揮其本身具有的高容量潛力該方法將是較為可行的方法。在實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)單層或幾層石墨烯材料后，石墨烯將在鋰電領(lǐng)域大展拳腳。未來(lái)的石墨烯鋰電池應(yīng)該會(huì)有更好的表現(xiàn)和更低的價(jià)格，對(duì)此值得期待。