故都科技:石墨烯材料在鋰電池中的應用與前景!

通過對石墨烯結構、性能的分析，簡要地分析總結了石墨烯在鋰離子電池正極材料、負極材料等方面的應用，從而分析目前石墨烯材料的優勢發揮和重點的研究方向，並對石墨烯在鋰離子電池領域的應用前景進行一定的展望。

石墨烯作為一種新型納米材料，以其特殊的二維單層延伸碳結構、出色的導電性、導熱性、韌性及強度等優異性能，在功能材料、能源等多個領域有著廣泛的應用前景。其中石墨烯在鋰離子電池電極材料的優化改進方面受到了人們的重視，將石墨烯材料用作電極材料或與其他材料的複合能夠在一定程度上發揮優勢，對電池性能的提升有一定的效果。

一、前言導讀

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。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。

石墨烯由於其質量輕、導電性好、韌性高等優勢成為材料研究層面的一大突破。2004年，Geim等人首次通過機械剝離法製得單層石墨烯，並發現了其特殊的電學、力學性質，其在鋰離子電池電極材料的應用也引起了人們的重視。

本文首先對石墨烯結構與性能、製備等方面進行介紹，再對其在鋰離子電池正極材料、負極材料等方面的應用簡要總結，分析其優勢與特點，以對設計石墨烯材料鋰離子電池提供依據。

二、石墨烯概述

石墨烯是一種由碳原子組成的六角形呈蜂巢晶格的平面二維結構納米材料，其C-C鍵長為0.141nm，理論密度約為0.77mg/m2，厚度僅為一個碳原子的直徑大小。碳原子以sp2的方式參與雜化，電子可以在層層之間順利傳導，故石墨烯導電性極好，是目前已知電阻率最小的材料，這也是石墨烯在電池發展前景廣闊的原因之一。

石墨烯材料具有出色的導熱性，其單層材料理論室溫熱傳導率可達3000-5000W/（m*K），這一性質可用於研究電池工作時的熱量耗散問題。其力學性質優異，是一種韌性和強度極好的材料，可用於開發研究柔性電極材料。此外，石墨烯的高比表面積和高透光度也具有很高的研究價值。

三、石墨烯在鋰離子電池中的應用

基於石墨烯的各項特殊理化性質，石墨烯在電極材料研究領域開發潛力巨大。按照應用領域的不同，石墨烯材料在鋰離子電池中的應用大體可分為三類：石墨烯在正極材料中的應用、在負極材料中的應用和在鋰離子電池中的其他應用。

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材料，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。

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。

2 石墨烯在負極材料中的應用

鋰離子電池負極材料應當滿足氧化還原電位低且穩定、可逆容量大、可形成緻密穩定SEI膜、對環境無毒害、製作成本低等條件。相對於正極材料，石墨烯在負極材料中的應用研究更加廣泛深入。

石墨烯直接作為負極材料

石墨烯具有良好的導電性能，但其二維微觀結構的易相互堆疊導致對石墨烯獨立電極材料的研究並不理想。主要表現為電池的倍率性能差、循環效率低等方面。Honma等製得的石墨烯可逆比容量在首次循環（50mA/g電流密度）中可以達到540mAh/g，但在多次循環後可逆比容量下降較快；而利用熱膨脹法獲得石墨烯在100mA/g電流密度首次循環時可以達到較高可逆比容量（1264mAh/g），且在40次循環後仍可保持較高的可逆比容量。

石墨烯複合負極材料

目前石墨烯負極複合材料主要有：過渡金屬氧化物/石墨烯複合材料和石墨烯改性矽基材料等。這一類複合材料的研究方向是利用石墨烯材料的導電性能和結構特點輔助納米材料，改善其鋰離子傳輸速率，從而提高鋰離子電池的倍率性能，彌補原材料的缺陷和不足。

Si元素可用於鋰離子電池形成充電比容量極高的Li4.4Si，其放電電壓穩定、自然儲量豐富的特點使其擁有極大的發展前景；但其在充放電過程中的體積變化嚴重，導致電池的循環效率較低。若用納米碳材料對Li4.4Si材料進行適當的包裹，則可減緩這種體積效應帶來的影響。Yushin等利用CVD法將Si膜形成在石墨烯材料的表面，並用丙烯在高溫條件下進行了碳包覆以增強其導電性，製得了一種Si/(G+C)複合材料，有效地實現了對鋰-矽材料充放電過程中體積效應的改善，增強了電池循環性能。但是這類材料的製備成本較高，材料也具有易燃的性質，在安全方面具有一定的問題，但可以看作是石墨烯複合材料改善原材料缺陷的典例之一。

過渡金屬氧化物在金屬元素不同氧化態之間的轉化過程中具有十分可觀的理論容量，但其獨立材料存在體積效應大、電子傳輸速率低等問題。如果將金屬氧化物的納米材料附著於石墨烯表面，則可以防止顆粒之間的團聚，同時充分發揮石墨烯材料的比表面積優勢和過渡金屬氧化物的高容量優勢，提高鋰離子的傳輸速率。

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。

四、總結與展望

與傳統塊體材料相比，石墨材料具有優越的導電性能、導熱性能、韌性以及極為輕薄的二維結構，使其在鋰離子電池新型電極材料的開發研究領域具有廣闊的前景。

然而，在石墨烯電極材料開發的初級階段，仍有許多問題需要解決，例如複合材料的循環性能由於材料微觀結構不可逆改變而嚴重下降；電池的倍率性能大小不夠理想；材料製備成本對實際使用推廣的局限作用等。

為了解決這些主要問題，近年來，對於石墨烯電極材料性能的優化研究主要集中於以下幾個方向：

1、提高電池的可逆比容量，提升電池的充放電性能，延長電池壽命；

2、提高電極材料的電子傳遞速率和脫嵌鋰離子速率，提高鋰離子電池倍率性能，實現快速充電；

3、拓展新型納米材料的實際應用，充分發揮不同納米材料的綜合優勢；

4、開發可變形性強的電池材料，提升電池的環境適應能力，增強石墨烯電極材料在柔性電池方面的應用；

5、開發優化新型生產工藝，降低石墨烯電極材料生產成本，實現電池的大批量商業化生產；

6、積極尋找化學性質穩定、綠色環保無汙染的複合材料，實現電池環境友好，減少電極材料可能造成的安全隱患和汙染。