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)電對環(huán)境的污染，以及核電的安全問題等原因，近年來太陽能光伏行業(yè)作為一種新型綠色能源越來越受到人們的重視。目前，對于石墨烯材料在發(fā)電和儲能領(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)絲直徑的十五萬分之一。是目前世界上已知的最輕薄、最堅硬的納米材料，透光性好，能折疊。自問世以來，就因為其強(qiáng)大的導(dǎo)電性能被看做革命性的儲能材料，按照新國標(biāo)檢測，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，可實現(xiàn)大電流快速充電和超長的循環(huán)使用壽命。

　　銅離子具有雙重正電荷，穿過溶液的速度約每秒300米，因為溶液在室溫下的熱能量。當(dāng)鋰離子猛烈撞入石墨烯帶時，碰撞會產(chǎn)生足夠的能量，使不在原位的電子離開石墨烯。電子有兩種選擇：可以離開石墨烯帶，和銅離子結(jié)合，也可以穿過石墨烯，進(jìn)入電路。

　　流動的電子在石墨烯中更快，超過它穿過溶液的速度，所以電子自然會選擇路徑，穿過電路。釋放的電子更傾向于穿過石墨烯表面，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

　　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，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，最先實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的領(lǐng)域可能會是移動設(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)庫侖效率充放電平臺較高以及循環(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，摻雜后的石墨烯片層間距增大，提供更多的儲鋰空間。

　　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)使用時的缺點(diǎn)。

　　●應(yīng)用優(yōu)勢

　　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)勢是該領(lǐng)域較為關(guān)注的一個方面，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。未來的石墨烯鋰電池應(yīng)該會有更好的表現(xiàn)和更低的價格，對此值得期待。