石墨烯負極材料在鋰電池中的作用和發展

來源：存能電氣  日期：2019-04-11 14:17  瀏覽量：次

　　石墨烯負極材料在鋰電池中的作用和發展。石墨烯因其高導電、導熱效應等而備受儲能領域的關注，其復合材料用作鋰電池負極材料是顯著提升了鋰電池的電化學性能。

　　眾所周知，電池的能量密度和壽命是兩個最重要的評價指標，而鋰電池又是當今能量密度最高的二次電池。但作為動力電池的工程需求，它需要一個較大的能量密度提升過程，這就給了某些投機者的鉆營空間，還起了個好聽的名字——石墨烯鋰電池。目前成熟鋰電池制造主要是采用石墨作為負極材料。

　　石墨烯負極材料

　　石墨烯由于其獨特的二維結構、優異的電子傳輸能力以及超大的比表面積等優勢極有潛力替代石墨成為新一代鋰電池負極材料。石墨烯的儲鋰機制與其他碳材料相似，充電時鋰離子從正極脫出經過電解質嵌入碳材料層間形成形成Li2C6，放電時鋰離子脫出返回正極。

　　因此較之石墨，以石墨烯為負極更有利于提高電池性能。從石墨烯電池的概念提出以來，很多學術研究成果表明石墨烯鋰電池可逆容量可達500mAh/g以上，以及具有出色的倍率性能。

　　石墨烯負極材料在鋰電池中的作用

　　與傳統鋰電池負極材料相比較，石墨烯作為鋰電池負極材料時，可有效提高相應電池的比容量，增強電極和電解液之間的導電接觸，改善其充/放電倍率性能。同時，石墨烯“柔韌”的單原子層二維結構也可有效抑制電極材料在充放電過程中發生體積變化引起的材料膨脹、粉化等，從而提高電池的循環穩定性。

　　此外，通過化學氧化插層—剝離—再還原法合成的化學還原石墨烯表面含有特定的含氧化學基團，如羧基、羥基和環氧基等，可為其結構和表面功能改性以及與其他材料的復合提供豐富的反應和鍵合位點，也為三維超結構石墨烯基復合材料的設計和合成提供多種可能的途徑。

　　由于石墨烯片之間較強的π-π疊合作用，石墨烯可團聚形成類似于石墨的層狀結構，進而影響鋰離子的嵌脫。這也證明純石墨烯并非是一種理想的鋰電池電極材料。

　　因此，近兩年來石墨烯基納米復合材料，如石墨烯/碳納米管、石墨烯/碳60(C60)、石墨烯/無機納米粒子等復合材料被廣泛地應用于鋰離子電池負極材料研究。通過納米粒子與石墨烯之間的有效復合，可有效阻止石墨烯片之間的疊合/團聚，有利于鋰離子的嵌脫。

　　石墨烯負極材料在鋰電池中的發展

　　1.國際石墨烯發展現狀。目前國際上從事石墨烯產業研究的國家包括英國、美國、歐盟、韓國和日本等，各國發展狀況不同。

　　英國：作為石墨烯的“誕生地”，英國在石墨烯的基礎研發方面居于全球領先地位，但從事商業開發的石墨烯企業較少，因此在石墨烯應用方面并非其強項。

　　美國：美國對石墨烯的研究投入較早，石墨烯產業化和應用進程相對較快，其產業布局也呈現多元化，產業鏈相對比較完整。

　　歐盟：歐盟的石墨烯研究起步早且系統性強，并將石墨烯研究提升至戰略高度，資金支持力度大，基礎研究扎實。

　　韓國：韓國石墨烯產業發展產學研結合緊密，在基礎研究及產業化方面發展較為均衡，整體發展速度較快。

　　日本：日本依托其良好的碳材料產業基礎，是全球最先進行石墨烯研究的國家之一，產學研結合較為緊密，整體發展較為全面。

　　2.國內石墨烯發展現狀。從專利數量上來看，我國國內石墨烯領域專利申請量主要集中在長三角地區，其中江蘇的申請量居于首位(4102件)，廣東(2537件)和北京(2333件)次之，而東北和西部地區的專利申請量較低。從產業集聚度來看，國內目前的石墨烯公司大多分布在東部沿海一帶，尤其是長三角、珠三角、京津冀魯聚合區。

　　石墨烯的鋰電池負極材料需要明確結構、摻雜以及制備復合情況。電磁負極材料的研究能夠增強石墨烯的應用效率，降低材料投入成本實現石墨烯應用的商業化發展。根據石墨烯負極材料行為和原位表征情況中的元素組成能夠進一步分析出結構發生的變化，進一步研究和制造具有實際應用價值的石墨烯基動力型鋰離子電池奠定基礎。