摘要：伴隨著科技的發展和移動終端的全面普及，電動交通工具的廣泛推廣和資源的存儲利用等現代科技都與電池技術息息相關。鋰離子電池是作為儲能領域的主流技術，有著極高的發展前景。石墨烯憑藉其自身的高電導率、超大比表面積和高化學穩定性等獨特、優異的物理和化學特性而在鋰離子電池中佔據重要地位，被廣泛使用於鋰離子電池的正負極材料中。
關鍵詞：石墨烯材料；鋰離子電池；應用
中圖分類號：TM912 文獻標識碼：A
1 引言
鋰離子電池具有能量密度高、可逆容量大、開路電壓大、使用壽命長等特點。隨著電子資訊時代的發展，鋰離子電池逐漸在二次電池開發應用領域成為人們關注和研究的主要對象。在對鋰離子電池電極材料的研究過程中，一些碳元素的同素異形體及混合物可以作為導電性能優良的穩定材料，常被用於開發新型鋰離子電池負極材料的研究。
2 鋰電子電池概述
目前鋰離子電池在中國各類儲能技術裝置規模中佔到了66%的比例，作為國內儲能市場中的主流技術，鋰離子電池在移動終端、電動汽車等領域也有著廣泛的應用前景。能量密度較高、可逆容量較大、開放電壓大、使用壽命較長等是鋰離子電池所具有的獨特特點，這使它具有了其他電池不可比擬的優勢。鋰離子電池包括四大主要部件:正負電極，電解質和隔膜。傳統的鋰離子電池導電添加劑主要有乙炔黑和炭黑等物質組成，通過點對點的方式，導電添加劑與正負極活性材料粒子相互接觸，由此帶來了較大的熱阻抗，高溫給鋰電池組帶來了極大的安全隱患。因此，對於可以提供高效導電網絡的新型電池導電添加劑材料的需求就變得極為迫切，新型材料不僅能降低添加量，也能大幅提升正負極電極的導電能力，降低電池成本，同時也可改善鋰離子電池的倍率和充放電循環性能。
3 石墨烯在鋰離子電池中的應用
3.1 石墨烯在正極材料中的應用
對於鋰離子電池，可應用的正極材料應當滿足可逆容量大、電位高且穩定、無毒害、製作成本低等特點。目前較為常見的鋰離子電池正極材料多為磷酸鐵鋰（LiFePO4）材料，其具有高比容量、無毒、生產成本低等特點，但LiFePO4的電導率差、鋰離子遷移率較低。若將LiFePO4材料與石墨烯複合，理論上可以改善其導電能力，提高倍率性能。由於石墨烯材料的特殊性，在正極方面對石墨烯材料的研究相對較少。研究表明，用水熱法將石墨烯直接覆蓋在LiFePO4表面上製成複合材料的倍率性能提升效果並不理想，其原因可能是石墨烯材料結構的堆疊或破壞。Wei等研究發現，石墨烯將LiFePO4半包裹後形成的材料可以提高LiFePO4材料的導電性能，但將其全包裹後離子傳輸效率下降，並推測可能是因為鋰離子無法通過石墨烯的六元環結構。有研究人員將LiFePO4納米顆粒與氧化石墨進行超聲混合，製得了微觀結構更加工整的LiFePO4/石墨烯複合材料。該材料經過進一步的常規碳包覆後嵌鋰比容量大大提升，可在60C高倍率條件下仍然維持在70mAh/g左右。
3.2 石墨烯在負極材料中的應用
石墨烯直接作為鋰離子電池的負極材料，其比容量為540mAh/g;由於石墨烯具有較大的比表面積，科學家將石墨烯納米片用於鋰電負極材料時刻提高其可逆容量，在多次循環後其可逆容量損耗率較低。另外，石墨烯與金屬氧化物、合金材料複合後可用作鋰離子電池的負極材料，例如錫基、矽基氧化物等材料。更具納米材料自身特性，利用石墨烯材料的導電性能和結構特點加以改造，將會提高鋰離子傳輸速率，改善鋰離子電池的倍率性能，以彌足原材料的不足和諸多缺陷，降低成本費用。
3.3 石墨烯在鋰離子電池中的其他應用
鑑於其優異的導電性能，石墨烯材料可以作為導電添加劑優化電池的電導率。Han等將石墨烯材料加入Si納米材料中，其改性效果優於一般的導電添加劑如天然石墨等。其首次循環可逆比容量高達2347mAh/g，循環20次後仍可達2041mAh/g；Song等將石墨烯作為導電添加劑加入到石墨材料當中，優化了石墨材料的導電性能。其機理是石墨烯材料以層狀結構搭建在石墨之間，類似於構建起電子通過的「橋梁」。這種材料與石墨接觸面積大，避免在多次循環後類似乙炔黑顆粒的體積變化、與石墨材料接觸面積減小而導致的性能下降。此外，石墨烯還可用於LiFePO4納米顆粒導電性能的提升。
此外，石墨烯由於其出色的力學強度和韌性在製備可變形性強的鋰離子電池方面也發揮了獨特作用。He等將對苯二甲酸乙二酯表面塗上石墨烯薄膜形成的複合材料具有可觀的柔性，並且減小了材料的密度，優化了其性能；Cheng等則將石墨烯材料真空抽濾附著在濾紙表面，製得了力學性質和導電性能都較為優越的石墨烯/纖維素複合材料。以上所述及其他柔性鋰離子電池材料多可用於提升鋰離子電池的環境適應能力等用途中，隨著研究發展，這類柔性電極材料還有望應用於可穿戴式電子設備當中。
4 結束語
總而言之，石墨烯材料在鋰離子電池方面具有十分廣泛的潛在研究價值，而對於其性能的充分利用，仍然需要各個國家各個層面的研究人員共同努力開發。相信在不久的將來，開發技術相對成熟的石墨烯材料鋰離子電池可以實現商業化生產，不斷地進入人類的生產生活中，從而真正意義上的造福世界。
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