石墨烯在鋰離子電池材料性能優化中的應用分析

摘 要：結合目前對石墨烯材料特殊二維結構和優異物理化學性質的研究，提高鋰離子電池的低能量密度和低循環性能，對鋰離子正極中的石墨烯材料和石墨烯復合材料進行綜述，探討了石墨烯復合材料作為鋰離子電池電極的結構和功能調節的重要性。

關鍵詞：石墨烯；鋰離子電池；電極材料；性能優化；應用分析

一、石墨烯在鋰離子電池材料中應用概述

（一）石墨烯在鋰離子電池材料中的發展

由于全球環境污染以及能源危機的嚴峻形勢下，對可持續的新能源儲存和運輸面臨著重大的需求。在新的系統研究過程中，工業部門最初建立和改進了儲能材料和器件評估系統，特別是作為新能源儲存系統。自首次提出鋰電池概念以來，經過四十多年的發展，新的電池材料具有遠遠超出其理論水平的重要應用前景[1]。

因此，現在儲能系統性能的主要問題是發現具有性能的能量儲備或優秀的材料改性，確保最大的材料性能。當發現新的儲能材料時，往往沒有提供合理的技術要求，就極大限度地限制了材料的性能。石墨烯材料的出現是解決問題的開始。石墨烯是通過碳原子sp2雜化連接的氮原子層的二維蜂窩結構。通過將石墨烯彎曲成足球形狀，形成一維碳納米管，并且三維石墨烯被認為是石墨烯片的致密層。

（二）石墨烯在鋰離子電池材料應用特點

石墨烯的發現豐富了碳材料，進而豐富了儲能材料優化和改性的方法體系。因為石墨烯的導電率高，比表面積大，強度和剛度高等優良性能。理想的石墨烯是一種真正的表面固體，其所有碳原子都暴露在表面上，并且具有獨特的優勢，即它被用作鋰離子電池的正極和負極材料。石墨烯具有非常大的比表面積，并且隨著比表面積增加，可以減小電池的極化并且可以減少由于電池的極化導致的能量損失。石墨烯具有優異的導電性和導熱性，即具有良好的電子傳輸通道，良好的導熱性確保其穩定性。在通過附聚形成的宏觀電極材料中，石墨烯片的尺寸遠小于塊狀石墨，這使得在石墨烯之間添加鋰離子的擴散路徑更短，并且層間距更小它還有利于鋰離子的擴散[2]。

二、石墨烯在鋰離子電池作負極材料分析

（一）石墨烯直接作為鋰離子電池負極材料

為了實現鋰離子電池的高功率密度和高能量密度，增加鋰離子電池負極材料的容量是一個主要問題。鋰離子在石墨烯中具有非化學計量的嵌入和脫嵌，特殊容量遠遠超過石墨材料理論的特殊容量；多層石墨烯材料的面內結構與石墨的面內結構相同，但層間距離遠大于石墨的層間距，有助于鋰離子的快速插入和脫離[3]。

通過使用氫氧化肼還原預制的氧化石墨烯片，直接用作鋰離子電池的負極，這不僅避免使用聚合物粘合劑，而且還避免化學制備的石墨烯片。包含部分殘留的含氧與石墨陽極相比，具有優異的電化學性能，但直接作為鋰離子電池的負極材料制成的石墨烯電池裝置的性能不穩定。

盡管石墨烯用作鋰電池的負極材料以改善導電性并改善鋰電池的散熱性能，但石墨烯材料作為負極電池電極具有直接的缺點：由于高比表面積導致鋰的高儲存容量丟失。由于表面積大，官能團和空位豐富等因素，電解質在循環過程中會在石墨烯表面分解，導致部分容量損失。因此，將石墨烯和其他材料合成石墨烯基復合陽極材料是鋰電池研究的熱點，是未來發展的趨勢[4]。

（二）石墨烯與過渡金屬氧化物復合

過渡金屬氧化物是鋰電池負極材料，具有廣泛的適用性。因此，理論鋰儲存容量高，循環特性長，并且速度性能良好。然而，過渡金屬氧化物的低導電率和在插入和脫嵌過程中，由鋰離子的添加引起的體積效應導致鋰離子電池的負極性能的不穩定性，這通常需要復合改性處理。一方面，石墨烯材料的添加可以提高過渡金屬氧化物材料的導電性，減輕鋰離子添加和脫嵌的體積效應；另一方面，過渡金屬氧化物顆粒的加入有效地避免了石墨烯片的中間層。因此，對石墨烯的合成方法和性能增強進行了一系列研究。含少量石墨烯的Co3O4復合材料表現出柔軟的層狀，很好地卷繞了Co3O4顆粒，從而形成全面的空間網絡結構的方向。穩定的空間網絡結構可以有效地緩沖充電和放電過程中Co3O4電極材料體積的膨脹和收縮，并改善材料的生命周期[5]。

石墨烯摻雜后，電極材料的電化學性能得到改善。石墨烯分子可有效防止過渡金屬氧化物在釋放和釋放循環中的團聚，從而保持電極材料的穩定性。然而，目前關于石墨烯復合微結構的實驗還不夠深，電化學性能差異的機理尚不清楚，并且沒有得出該證據的結論。因此，復合材料在循環前后的微觀結構和形態變化的比較，并且進行深入分析和誘導以確定影響電化學電極性能的重要因素。

三、石墨烯在正極材料復合中的應用分析

諸如正電極材料的低比容量和差的循環性能的缺點是限制實現鋰離子電池的高功率和高能量密度首要問題。為了克服問題，大多數研究人員已經研究了新材料系統以及現有材料系統中雜原子的分析，并改進了鋰離子電池的正極材料性能。石墨烯及其衍生物被廣泛引入鋰離子電池正極材料中，以彌補鋰離子電池現有正極材料的低導電率等缺陷，從而提高石墨烯在鋰離子電池材料性能的優化[6]。

（一）石墨烯與釩系材料復合

目前，VO5納米粒子與納米級碳材料相結合，解決了釩基材料導電率低，鋰離子傳輸速率慢的問題。然而，釩基材料納米粒子易結塊，性能下降在長期流通下仍然是迫切需要解決的問題。復合材料中的石墨烯納米片可以有效抑制VO5納米線的聚集。V2O5是另一種基于釩的材料，它具有很大的吸引力。質量大的量子色散點可以為活性成分的體積膨脹提供更多的緩沖空間，縮短鋰離子的色散距離，從而增加鋰離子電池的壽命周期和容量上限。一方面，通過將石墨烯材料引入鋰離子電池的陰極材料系統中，可以提高陰極材料的導電性，同時可以防止陰極材料的粉碎和塌陷，從而抑制陰極材料的溶解。另一方面，未來有必要加強具有高容量特性的新型材料系統的開發，通過構造合理的結構，因此石墨烯與釩系材料復合也將成為未來研究活動的焦點[7]。

（二）石墨烯與LiMn2O4正極材料的復合

使用石墨烯來改性尖晶石LiMn2O4也表現出優異的性能。采用改造的Hummer法制備了多層石墨烯，并制備了石墨烯/LiMn2O4納米復合材料。在掃描電子顯微鏡中，復合材料中的二維石墨烯納米片顯示出皺紋，并且LiMn2O4納米分子被緊密包裹以形成穩定的三維網絡結構。具有尖晶石結構的LiMn2O4納米全分子可以適當地固定在石墨烯納米片的表面上。石墨烯片的存在有效地減少了分子LiMn2O4之間的聚集，因此特定表面的活性不會降低。導電框架良好的導電性能石墨烯納米片結構能有效地防止電解質溶液，從而獲得電極材料的優異電化學性能[8]。

綜上所述，在使用石墨烯改性的LiMn2O4材料之后，電子的導電性和速度性能得到顯著改善。這是因為，通過使用石墨烯材料，正極材料的鋰離子的擴散路徑大大縮短，鋰離子的吸留釋放加深，重整材料內的孔隙率增加，鋰離子嵌入空間，從而增加鋰離子電池的儲存容量和能量密度。

石墨烯復合電極在電化學性能方面表現出優異的特性，但是，由于碳質材料微觀結構的復雜性，以及材料的結構和電極的電化學性能制約高性能鋰離子電池的發展。為了進一步解決諸如循環壽命縮短，低能量密度，低功率密度等缺點，就需要研究單層或多層石墨烯材料的工業生產方法。通過石墨烯材料的充放電機理，構建合理有效的石墨烯復合材料的可能性，從而降低石墨烯材料在電化學性能的影響。

參考文獻

[1]曹亮，王安安，艾立華，等。石墨烯在鋰離子電池材料性能優化中的應用[J]。中國有色金屬學報，2016，26（4）：807-820。

[2]聞雷，陳靜，羅洪澤，等。石墨烯在柔性鋰離子電池中的應用及前景[J]。科學通報，2015，60（7）：630-644。

[3]朱碧玉，倪江鋒，王海波，等。石墨烯在鋰離子電池中應用的研究進展[J]。電源技術，2013，37（5）：860-862。

作者簡介

郭娜娜（1988.11-）；性別：女，籍貫：甘肅慶陽人，學歷：碩士，畢業于武漢科技大學；現有職稱：初級工程師；研究方向：動力電池；

（作者單位：江西安馳新能源科技有限公司）