石墨烯材料應(yīng)用廣泛，看它在鋰離子電池中的應(yīng)用

（文章來源：消費導(dǎo)刊雜志社）

伴隨著科技的發(fā)展和移動終端的全面普及，電動交通工具的廣泛推廣和資源的存儲利用等現(xiàn)代科技都與電池技術(shù)息息相關(guān)。鋰離子電池是作為儲能領(lǐng)域的主流技術(shù)，有著極高的發(fā)展前景。石墨烯憑借其自身的高電導(dǎo)率、超大比表面積和高化學(xué)穩(wěn)定性等獨特、優(yōu)異的物理和化學(xué)特性而在鋰離子電池中占據(jù)重要地位，被廣泛使用于鋰離子電池的正負(fù)極材料中。

鋰離子電池具有能量密度高、可逆容量大、開路電壓大、使用壽命長等特點。隨著電子信息時代的發(fā)展，鋰離子電池逐漸在二次電池開發(fā)應(yīng)用領(lǐng)域成為人們關(guān)注和研究的主要對象。在對鋰離子電池電極材料的研究過程中，一些碳元素的同素異形體及混合物可以作為導(dǎo)電性能優(yōu)良的穩(wěn)定材料，常被用于開發(fā)新型鋰離子電池負(fù)極材料的研究。

目前鋰離子電池在中國各類儲能技術(shù)裝置規(guī)模中占到了66%的比例，作為國內(nèi)儲能市場中的主流技術(shù)，鋰離子電池在移動終端、電動汽車等領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用前景。能量密度較高、可逆容量較大、開放電壓大、使用壽命較長等是鋰離子電池所具有的獨特特點，這使它具有了其他電池不可比擬的優(yōu)勢。鋰離子電池包括四大主要部件：正負(fù)電極，電解質(zhì)和隔膜。

傳統(tǒng)的鋰離子電池導(dǎo)電添加劑主要有乙炔黑和炭黑等物質(zhì)組成，通過點對點的方式，導(dǎo)電添加劑與正負(fù)極活性材料粒子相互接觸，由此帶來了較大的熱阻抗，高溫給鋰電池組帶來了極大的安全隱患。因此，對于可以提供高效導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的新型電池導(dǎo)電添加劑材料的需求就變得極為迫切，新型材料不僅能降低添加量，也能大幅提升正負(fù)極電極的導(dǎo)電能力，降低電池成本，同時也可改善鋰離子電池的倍率和充放電循環(huán)性能。

對于鋰離子電池，可應(yīng)用的正極材料應(yīng)當(dāng)滿足可逆容量大、電位高且穩(wěn)定、無毒害、制作成本低等特點。目前較為常見的鋰離子電池正極材料多為磷酸鐵鋰（LiFePO4）材料，其具有高比容量、無毒、生產(chǎn)成本低等特點，但LiFePO4的電導(dǎo)率差、鋰離子遷移率較低。若將LiFePO4材料與石墨烯復(fù)合，理論上可以改善其導(dǎo)電能力，提高倍率性能。由于石墨烯材料的特殊性，在正極方面對石墨烯材料的研究相對較少。研究表明，用水熱法將石墨烯直接覆蓋在LiFePO4表面上制成復(fù)合材料的倍率性能提升效果并不理想，其塬因可能是石墨烯材料結(jié)構(gòu)的堆疊或破壞。

Wei等研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯將LiFePO4半包裹后形成的材料可以提高LiFePO4材料的導(dǎo)電性能，但將其全包裹后離子傳輸效率下降，并推測可能是因為鋰離子無法通過石墨烯的六元環(huán)結(jié)構(gòu)。有研究人員將LiFePO4納米顆粒與氧化石墨進(jìn)行超聲混合，制得了微觀結(jié)構(gòu)更加工整的LiFePO4/石墨烯復(fù)合材料。該材料經(jīng)過進(jìn)一步的常規(guī)碳包覆后嵌鋰比容量大大提升，可在60C高倍率條件下仍然維持在70mAh/g左右。

石墨烯直接作為鋰離子電池的負(fù)極材料，其比容量為540mAh/g;由于石墨烯具有較大的比表面積，科學(xué)家將石墨烯納米片用于鋰電負(fù)極材料時刻提高其可逆容量，在多次循環(huán)后其可逆容量損耗率較低。另外，石墨烯與金屬氧化物、合金材料復(fù)合后可用作鋰離子電池的負(fù)極材料，例如錫基、硅基氧化物等材料。更具納米材料自身特性，利用石墨烯材料的導(dǎo)電性能和結(jié)構(gòu)特點加以改造，將會提高鋰離子傳輸速率，改善鋰離子電池的倍率性能，以彌足塬材料的不足和諸多缺陷，降低成本費用。

鑒于其優(yōu)異的導(dǎo)電性能，石墨烯材料可以作為導(dǎo)電添加劑優(yōu)化電池的電導(dǎo)率。Han等將石墨烯材料加入Si納米材料中，其改性效果優(yōu)于一般的導(dǎo)電添加劑如天然石墨等。其首次循環(huán)可逆比容量高達(dá)2347mAh/g，循環(huán)20次后仍可達(dá)2041mAh/g；Song等將石墨烯作為導(dǎo)電添加劑加入到石墨材料當(dāng)中，優(yōu)化了石墨材料的導(dǎo)電性能。其機(jī)理是石墨烯材料以層狀結(jié)構(gòu)搭建在石墨之間，類似于構(gòu)建起電子通過的“橋梁”。這種材料與石墨接觸面積大，避免在多次循環(huán)后類似乙炔黑顆粒的體積變化、與石墨材料接觸面積減小而導(dǎo)致的性能下降。此外，石墨烯還可用于LiFePO4納米顆粒導(dǎo)電性能的提升。

此外，石墨烯由于其出色的力學(xué)強(qiáng)度和韌性在制備可變形性強(qiáng)的鋰離子電池方面也發(fā)揮了獨特作用。He等將對苯二甲酸乙二酯表面涂上石墨烯薄膜形成的復(fù)合材料具有可觀的柔性，并且減小了材料的密度，優(yōu)化了其性能；Cheng等則將石墨烯材料真空抽濾附著在濾紙表面，制得了力學(xué)性質(zhì)和導(dǎo)電性能都較為優(yōu)越的石墨烯/纖維素復(fù)合材料。以上所述及其他柔性鋰離子電池材料多可用于提升鋰離子電池的環(huán)境適應(yīng)能力等用途中，隨著研究發(fā)展，這類柔性電極材料還有望應(yīng)用于可穿戴式電子設(shè)備當(dāng)中。

總而言之，石墨烯材料在鋰離子電池方面具有十分廣泛的潛在研究價值，而對于其性能的充分利用，仍然需要各個國家各個層面的研究人員共同努力開發(fā)。相信在不久的將來，開發(fā)技術(shù)相對成熟的石墨烯材料鋰離子電池可以實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)，不斷地進(jìn)入人類的生產(chǎn)生活中，從而真正意義上的造福世界。
（責(zé)任編輯：fqj）