新型鋰離子電池負極材料石墨烯的使用前景

2021-06-10 ryder

新型鋰離子電池負極材料石墨烯的使用前景。負極材料的能量密度是影響鋰電池能量密度的主要因素之一，可見負極材料在鋰電池化學體系中起著至關緊要的作用，其中研究較為廣泛的鋰離子電池負極材料為金屬基（Sn基材料、Si基材料）、鈦酸鋰、碳材料（碳納米管、石墨烯等）等負極材料。

鋰離子電池負極材料石墨烯

石墨烯是近年來研究較多的一種新型材料，成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜。高于碳納米管和金剛石，常溫下其電子遷移率超過15000cm2/V·s，比納米碳管或硅晶體高，而電阻率只約10-8俜m，比銅或銀更低，為世上電阻率最小的材料。

具有優異的光學、電學、力學特性，在材料學、微納出產、能源、生物醫學和藥物傳遞等方面具有緊要的使用前景，無論是輕薄、硬度、導熱、導電，都是所有材料之最，被認為是一種將來革命性的材料。

鋰離子電池負極材料石墨烯的優點

1.石墨烯片層柔韌，可有效緩沖金屬類電極材料的體積膨脹;

2.石墨烯優異的導電性能可以加強金屬電極材料的電子傳輸能力;

3.石墨烯表面的活化核點能控制在其表面生長的金屬氧化物顆粒保持在納米尺寸，改善材料的倍率性能;

4.復合材料的比容量相對于純石墨烯有較大提高;

5.金屬或金屬氧化物的納米顆粒能保護石墨烯表層，戒備電解質插入石墨烯片層導致電極材料剝落現象。

新型鋰離子電池負極材料石墨烯的使用前景

以石墨烯為負極材料的電池儲電量是目前市場最好產品的3倍，用此電池提供電力的電動車最多能行駛1000公里，而充電時間不到8分鐘。擁有如此優良性能的石墨烯電池成本并不高。比一般鋰電池低77%，完全在消費者承受范圍之內。

在正極復合材料中，石墨烯二維高比表面積的特殊結構及優異的電子傳輸能力，能有效改善正極材料的導電性能，提高鋰離子的擴散傳輸能力。相比于傳統導電添加劑，石墨烯導電劑的優點在于能用較少的添加量，達到更優異的電化學性能。

純石墨烯材料由于首次循環庫侖效率低、充放電平臺較高以及循環穩定性較差，并不能取代目前商用的碳材料筆直作為鋰電池負極材料使用。但石墨烯可以作為一種優異的基體材料在鋰離子電池復合電極材料中發揮更大的作用。將石墨烯與天然石墨、碳納米管、富勒烯等碳材料復合，能利用石墨烯的特殊片層結構,改善材料的力學性能和電子傳輸能力。同時,摻雜后的石墨烯片層間距增大，提供更多的儲鋰空間。

另外,石墨烯還可以用于改性其他非碳基負極材料。目前研究的鋰電池非碳基負極材料主要有錫基、硅基以及過渡金屬類為主的電極材料，這類材料具有高理論容量，但其缺點是在嵌鋰/脫鋰過程中體積膨脹收縮變化分明。石墨烯摻雜改性后的復合材料能改善這兩種材料單獨使用時的缺點。

使用前景從石墨烯的加工工藝來看

石墨烯的制備辦法有溶劑熱法、高溫還原、光照還原、外延晶體生長法、微波法、電弧法、電化學法等，機械剝離法、化學氣相沉積法、氧化-還原法、溶劑剝離法。其中較為常見的是機械剝離法、化學氣相沉積法、氧化-還原法和溶劑剝離法。

機械剝離法：

當年Geim研究組就是利用3M的膠帶手工制備出了石墨烯的，但是這種辦法產率極低而且得到的石墨烯尺寸很小，該辦法不具備工業化加工的可能性。

化學氣相沉積法：

主要用于制備石墨烯薄膜，高溫下甲烷等氣體在金屬襯底表面催化裂解沉積然后形成石墨烯，化學氣相沉積法的優勢在于可以生長大面積、高質量、平均性好的石墨烯薄膜。但缺點是成本高工藝復雜存在轉移的難題，并且生長出來的一般是多晶。

氧化-還原法：

氧化-還原法是指將天然石墨與強酸和強氧化性物質反應生成氧化石墨，是加工石墨最主流的辦法，但該辦法所萌生的廢液對環境污染比較嚴重，并且氧化-還原法加工的石墨烯存在缺陷，部分電學和力學性能損失。

溶劑剝離法：

是將少量的石墨分散于溶劑中形成低濃度的分散液，進行層層剝離而制備出石墨烯。這種辦法雖然不會像氧化-還原法那樣破壞石墨烯的結構，但成本高，加工率低。

總結：可見石墨烯材料實在性能非常優異，極具潛力。但其加工工藝限制了目前的發展。不過人類科技進步非常快，處理石墨烯加工問題不會太久。