石墨烯在鋰二次電池中的應(yīng)用研究進(jìn)展

李琰

【摘要】由于鋰具有很高的能量密度，鋰二次電池一直以來(lái)被廣泛研究并取得了快速的發(fā)展，特別是解決當(dāng)前的能源危機(jī)及環(huán)境污染問題， 高效的電化學(xué)儲(chǔ)能器件迫在眉睫。碳基材料是鋰電池的重要材料及關(guān)鍵部分。石墨烯是高性能的碳基材料，其具備較好的熱學(xué)、電學(xué)性、力學(xué)性能，在鋰二次電池中應(yīng)用有較高的潛力，石墨烯的應(yīng)用為構(gòu)建高性能的新型碳電極材料提供了契機(jī)。本文分析了不同結(jié)構(gòu)形貌的石墨烯基材料在鋰二次電池中的研究進(jìn)展。

【關(guān)鍵詞】石墨烯 鋰二次電池 電極材料

【基金項(xiàng)目】河北化工醫(yī)藥職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級(jí)課題（YZ201703），河北省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（17214416）。

【中圖分類號(hào)】TM912 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2018）11-0185-02

引言

隨著能源危機(jī)以及環(huán)境的污染，新能源的開發(fā)和可循環(huán)利用的資源有重要的意義。在這樣的時(shí)代背景下，相關(guān)產(chǎn)業(yè)界提出眾多能源的新儲(chǔ)存模式，其中電化學(xué)能源是高效綠色儲(chǔ)能中的一種，被廣泛研究。由于鋰具有很高的能量密度，鋰二次電池一直以來(lái)被廣泛研究并取得了快速的發(fā)展，特別是解決當(dāng)前的能源危機(jī)及環(huán)境污染問題， 高效的電化學(xué)儲(chǔ)能器件迫在眉睫。本文分析了不同結(jié)構(gòu)形貌的石墨烯基材料在鋰二次電池中的研究進(jìn)展。

1.石墨烯在鋰離子電池負(fù)極中的應(yīng)用

1.1石墨烯基全碳材料

石墨材料是鋰離子電池最好的負(fù)極材料之一，性能強(qiáng)勁，即使作為單層石墨也有很大研究的前景。有關(guān)研究表明石墨烯片層的兩側(cè)可以吸附離子，其儲(chǔ)鋰機(jī)理與硬碳材料有一定相似。石墨烯的儲(chǔ)鋰容量與其他材料相比有一定優(yōu)勢(shì)，其片層無(wú)規(guī)堆疊能達(dá)到理論容量的兩倍。

石墨烯的制備方法較多，其中有最初的機(jī)械制備方法，也有化學(xué)制備方法、熱解理法等；大規(guī)模的制備方法，也是行業(yè)比較常用的制備方法，主要是化學(xué)還原法制備方法和化學(xué)解理法。但是化學(xué)還原法存在一定的缺點(diǎn)，易團(tuán)聚。而化學(xué)解理是當(dāng)前最理想的制備方法，是產(chǎn)業(yè)化的更好首選，生產(chǎn)制備工藝簡(jiǎn)單化。碳基材料是鋰電池的重要材料及關(guān)鍵部分。石墨烯是高性能的碳基材料，其具備較好的熱學(xué)、電學(xué)性、力學(xué)性能，在鋰二次電池中應(yīng)用有較高的潛力，石墨烯的應(yīng)用為構(gòu)建高性能的新型碳電極材料提供了契機(jī)。

1.2石墨烯與過(guò)渡金屬氧化物或合金材料復(fù)合

由于其儲(chǔ)鋰的機(jī)制不同，非碳負(fù)極材料存在著較為普遍的問題，例如有的非碳基材料粉化和循環(huán)性能不高。為了改變這些材料的不足，石墨烯的制備方法也隨著研究進(jìn)行了升級(jí)，并不是只有簡(jiǎn)單的機(jī)械混合制備方法，通過(guò)合金材料的特殊結(jié)構(gòu)制備，利用改變其微觀結(jié)構(gòu)的化學(xué)制備方法等。隨著發(fā)展傳統(tǒng)的碳基材料由于性能的局限，難以突破高性能電池的發(fā)展，更滿足不了新原理的能源器件設(shè)計(jì)要求，從富勒烯、碳納米管到石墨烯，石墨烯成為重要的電極材料和儲(chǔ)能體系的關(guān)鍵部分。

2.石墨烯在鋰離子電池正極中的應(yīng)用

常用的正極材料電子在活性物質(zhì)粒子間的導(dǎo)電性較差，正極材料幾乎都是半導(dǎo)體材料，依靠本身的導(dǎo)電性并不能發(fā)揮更高的性能，由此電池正極需要碳材料作為添加劑，以增強(qiáng)其導(dǎo)電性能。但是添加量過(guò)度會(huì)降低電池能量密度，電池的壽命也會(huì)受影響，因此需要減少添加量，用高性能的添加劑進(jìn)行替代。石墨烯由于其性能優(yōu)勢(shì)，作為導(dǎo)電添加劑為目前最好的應(yīng)用方向，少量的石墨烯能夠有效地提高電子電導(dǎo)率，石墨烯被學(xué)術(shù)界及行業(yè)界認(rèn)為是替代傳統(tǒng)導(dǎo)電劑的重要材料。

結(jié)論

石墨烯作為高性能的碳基材料，有較好的電學(xué)性能以及良好的熱學(xué)和力學(xué)，但是石墨烯在我國(guó)的研究還處于初步階段，尚有很大的發(fā)展空間。石墨烯作為碳基材料的基礎(chǔ)混合材料，是高性能碳電極材料的基本材料，可研究的方向比較多，因此，還需要更多方面的深入研究，特別是鋰硫電池的商業(yè)化應(yīng)用，還需要很多方面的研究去突破。石墨烯的制備方面，同方法制備的石墨烯的理化性質(zhì)存在較大差異。低成本商業(yè)化必然要改善制備方法，降低成本，以便大量的推廣應(yīng)用。在石墨烯應(yīng)用于電極材料過(guò)程中，還有很多難題需要攻克，比如缺乏一個(gè)重要的電壓平臺(tái)作為鋰離子電池負(fù)極材料，這大大限制了它的實(shí)際應(yīng)用。儲(chǔ)能裝置方面也限制了石墨烯電極材料的應(yīng)用，因此當(dāng)前如何最大限度地提高石墨烯的性能也是當(dāng)前研究的難點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]聞雷，陳靜，羅洪澤，李峰.石墨烯在柔性鋰離子電池中的應(yīng)用及前景[J].科學(xué)通報(bào).2015（07）

[2]趙廷凱，鄧嬌嬌，折勝飛，李鐵虎.碳納米管和石墨烯在鋰離子電池負(fù)極材料中的應(yīng)用[J].炭素技術(shù).2015（03）

[3]周曉航，范志明，于灝，周靜.石墨烯在鋰離子電池電極材料的應(yīng)用進(jìn)展[J].新材料產(chǎn)業(yè).2015（11）