石墨烯備受關注 在鋰電范疇將要怎么樣大展拳腳

“綠色”的能量儲運體系已成為當前能源范疇的關注熱點，鋰電作為其中緊要的一個分支，其性能的提升是科研工作者關注的重點。隨著研究的不斷發展，高性能鋰電電極材料層出不窮。實際使用中，所制備材料性能無法完全發揮是制約其實現高能量密度、高功率密度的關鍵。石墨烯的高導電性、高導熱性、高比表面積、等諸多優良特性，一定程度上對處理該問題有著非常緊要的理論和工程價值。石墨烯在用作鋰電池正負極材料方面具有以下優點：

1)石墨烯具有超大的比表面積(2630m2/g)，可降低電池極化，從而減少因極化造成的能量損失。

2)石墨烯具有優良的導電和導熱特性，即具備良好的電子傳輸通道和穩定性。

3)石墨烯片層的尺度在微納米量級，遠小于體相石墨的，這使得Li+在石墨烯片層之間的擴散路徑縮短；片層間距的增大也有利于Li+的擴散傳輸，有利于鋰電池功率性能的提高。

下文主要總結了石墨烯在鋰電正負極電極材料中的使用及其優點。

1.石墨烯在鋰電池負極材料中的使用

石墨烯筆直作為鋰電池負極材料

石墨烯筆直儲鋰的優勢：1)高比容量：鋰離子在石墨烯中具有非化學計量比的嵌入?脫嵌，比容量可達700~2000mAh/g；2)高充放電速率：多層石墨烯材料的層間距離要分明大于石墨的層間距，更有利于鋰離子的快速嵌入和脫嵌。大多研究也聲明，石墨烯負極的容量有540mA·h/g左右，但由于其表面大量的含氧基團充放電過程中分析或與Li+發生反應造成電池容量的衰減，其倍率性能也受到較大影響。

雜原子的摻雜帶來的缺陷會改變石墨烯負極材料的表面形貌，進而改善電極-電解液之間的潤濕性，縮短電極內部電子傳遞的距離，提高Li+在電極材料中的擴散傳遞速度，從而提高電極材料的導電性和熱穩定性。例如摻雜的N、B原子可使石墨烯的結構發生形變（圖1），在50mA/g倍率下充放電，容量為1540mAh/g，且摻雜N、B后的石墨烯材料可以在較短的時間內進行快速充放電，在快速充放電倍率為25A/g下，電池洋溢時間為30s。

圖1N、B摻雜在石墨烯晶格中的成鍵結構示意圖

但石墨烯材料筆直作為電池負極依然存在一些缺點，包括：1)制備的單層石墨烯片層極易堆積，比表面積的減少使其喪失了部分高儲鋰空間；2)首次庫倫效率低，一般低于70%。由于大比表面積和豐富的官能團，循環過程中電解質會在石墨烯表面發生分析，形成SEI膜；同時，碳材料表面殘余的含氧基團與鋰離子發生不可逆副反應，造成可逆容量的進一步下降；3)初期容量衰減快；4)電壓平臺及電壓滯后。因此，為處理存在的這一系列問題，將石墨烯和其他材料進行復合制作成石墨烯基復合負極材料成為今朝鋰離子電池研究的熱點和鋰電負極材料發展的一個方向。

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