石墨烯材料在鋰離子電池中的應用

江嬋

摘 要：伴隨著科技的發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代科技都與電池技術息息相關。鋰離子電池是作為儲能領域的主流技術，有著極高的發展前景。石墨烯憑借其自身的高電導率、超大比表面積和高化學穩定性等獨特、優異的物理和化學特性而在鋰離子電池中占據重要地位，被廣泛使用于鋰離子電池的正負極材料中。

關鍵詞：石墨烯;鋰離子電池;正負極材料;應用

一、鋰電子電池概述

目前鋰離子電池在中國各類儲能技術裝置規模中占到了66%的比例，作為國內儲能市場中的主流技術，鋰離子電池在移動終端、電動汽車等領域也有著廣泛的應用前景。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勢。鋰離子電池包括四大主要部件：正負電極，電解質和隔膜。傳統的鋰離子電池導電添加劑主要有乙炔黑和炭黑等物質組成，通過點對點的方式，導電添加劑與正負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電網絡的新型電池導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，也能大幅提升正負極電極的導電能力，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性能。

二、石墨烯概述

作為一種具有平面二維結構的納米材料，石墨烯由碳原子組成，呈現六角形、蜂巢狀，由于其厚度僅有一個碳原子的直徑大小，因此具備著多種獨特的特性，例如其具有極好的導電性能，是目前被人類發現的電阻率最小的材料。此外，石墨烯還具有出色的導熱性能，其單層材料理論室溫下熱傳導率極高，石墨烯電池在工作時易產生大量熱量，高溫易導致元件損壞甚至引發火災等位線，而石墨烯具有的導熱性質可以被用于電池散熱研究中，這保證了石墨烯材料在鋰離子電池發展前景中占據著重要的地位。

三、石墨烯在鋰離子電池中的應用

（一）石墨烯在正極材料中的應用

目前常用的鋰離子正極材料大多都是半導體，例如目前較為常見的鋰離子電池正極材料磷酸鐵鋰（LiFeP04）。這些半導體材料都應滿足較大可逆容量、電力儲存能量高并具一定穩定性、綠色環保、對環境無危害以及制作成本低廉等特點，但目前使用的LiFeP04還存在著一些缺點，例如存在電導率較差，鋰離子遷移率較低等，無法全面推廣使用。因此，若結合現代技術，將LiFeP04材料與石墨烯復合，則可以提高其導電能力，使倍率性能得以改善。

（二）石墨烯在負極材料中的應用

石墨烯直接作為鋰離子電池的負極材料，其比容量為540mAh/g;由于石墨烯具有較大的比表面積，科學家將石墨烯納米片用于鋰電負極材料時刻提高其可逆容量，在多次循環后其可逆容量損耗率較低。

另外，石墨烯與金屬氧化物、合金材料復合后可用作鋰離子電池的負極材料，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電性能和結構特點加以改造，將會提高鋰離子傳輸速率，改善鋰離子電池的倍率性能，以彌足原材料的不足和諸多缺陷，降低成本費用。

（三）石墨烯在鋰離子電池中的其他應用

如上文所述，石墨烯具有非常出色的導電性能，將其作為導電添加劑時，將會大幅提升電池的導電率。有調查研究表明，在Si納米材料中添加石墨烯后形成的復合材料的性能比一般的導電添加劑如天然石墨等更為優越，且其循環可逆比容量大幅提升，多次循環后損耗極小，降低了成本。而當石墨烯材料作為導電添加劑加入到石墨材料中也會優化石墨材料自身的導電性能。

此外，當在苯二甲酸乙二酯表面涂上石墨烯薄膜時，由于石墨烯自身具有的力學強度和韌性，使該復合材料具有極強的柔性和較低的密度，使材料性能得以優化，在制備可變性強的鋰離子電池中具有廣闊前景。目前科學技術正在不斷發展，終有一天添加有石墨烯材料的復合型柔性電極材料應用于可穿戴式電子設備中指日可待。

四、石墨烯鋰離子電池的應用前景

石墨烯和石墨烯復合電極在鋰電子電池的電壓特性、內阻、充放電性能、循環性能、賠率性能、比容量等重要化學性能方面表現出了其難以替代的優越性。隨著石墨烯復合材料在鋰離子電池中的廣泛應用，其獨特的優勢使其在鋰離子電池中成為被關注的焦點，并具有廣闊的前景。但是，在現階段，石墨烯電極材料的開發和使用還處于初級階段，許多問題還未得到解決。近年來對于石墨烯電極材料性能方面的優化研究極為重視，主要集中于以下幾個方面：

（1）提高電極材料中電子傳遞速率和脫嵌鋰離子速率，優化鋰離子電池自身性能，實現快速充電;

（2）提高電池可逆比容量，改善電池充放電性能，延長電池壽命;

（3）不斷創新、開展新型生產工藝，使產業結構得以優化，從根本上降低石墨烯電極材料的生產成本，提高石墨烯產量，實現商業化生產，加大對其的推廣力度;

（4）化學性質較穩定的復合型材料往往具有綠色環保無污染的特點，要保持生態健康、創造綠色環境，就要大力開發復合型材料，降低電池材料對自然環境的污染，并防止其可能產生的安全隱患，實現利潤與環境保護的雙贏。

總的來說，由于石墨烯材料自身的特性，決定了其在鋰離子電池的研究和發展中具有十分重要而廣泛的價值。相信在未來，經過世界各個國家的科研人員的共同努力研究和探索，石墨烯材料一定能在多個領域發揮其獨特的價值，造福人類。

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