淺析石墨烯電極材料對電池性能的影響

王 劍，任 君

（南寧職業技術學院，廣西 南寧 530000）

1 石墨烯材料綜述

1.1 石墨烯概述

石墨烯材料由基本的碳原子組成，其形狀呈六角形。組成與蜂巢相似的平面二維結構，屬于納米材料中的一種。2004年，曼徹斯特大學的Andrehaim和Konstantin團隊首次成功地采用機械剝離法，獲取了石墨烯。石墨烯的發現者獲得了2010年諾貝爾物理學獎。石墨烯是一種由一層碳原子組成的新材料。碳原子在參與雜化的過程中以SP2的形式，使電子能夠保證順利傳導。石墨烯材料的導電性良好，是目前已知材料中電阻率最低的一類導電材料。石墨烯由于其特殊的納米結構和優異的物理化學性能，在電子學、光學、磁學、生物醫學、催化、儲能、傳感器等領域顯示出巨大的潛力。

1.2 石墨烯的特點

1.2.1 超大比表面積

石墨烯材料的比表面積非常大，可達到2600m2/g，當其他材料與石墨烯材料相結合后能夠最大程度的提高其比表面積。其他材料的相互作用分布在石墨烯片的表面或片間，石墨烯材料本身已發生團聚現象，當與其它材料復合時能夠降低其團聚傾向。使材料之間能夠很好的協同。

1.2.2 導電性優良

石墨烯材料的導電性能非常好，當石墨烯材料中摻入其它材料時，能夠形成完善的電子傳輸網絡。從而能夠做大程度的提高其導電性能。

1.2.3 柔韌特性

石墨烯本身具有很強的柔韌性能，當與其它材料復合時，將會形成多孔結構。能夠顯著增加電極材料的活性，同時增大了與電解液的接觸面積。可以最大限度的降低電極材料在使用過程的體積變化，延長使用壽命。

1.3 石墨烯材料的不足與改進

1.3.1 石墨烯材料的缺點

石墨烯雖然有很多優點，但缺點也很明顯。首先，循環效率低，對充放電要求高。經過多次循環后，它變得不穩定。這就是為什么市場上其他碳材料仍舊在市場上廣泛采用的主要原因。其次，石墨烯材料具有可重復使用的特點，但是由于沒有實際應用，離大規模生產還有很長的路要走。

1.3.2 石墨烯材料的改進

石墨烯以其高導電性、大比表面積、高化學穩定性等優異的物理化學性能，在鋰離子電池的研究中備受關注。在電池陽極材料中使用石墨烯材料，當石墨烯材料中摻入其它材料進行復合時，能夠極大的提高電極材料的整體性能。石墨烯與其他材料復合為電極活性材料。石墨烯及其相關材料在能源領域的成功應用有賴于生產方法的發展和優化。大規模的液相剝離技術正在被開發用于各種材料的層壓。該技術可以優化晶片尺寸的控制，提高燃料電池的邊長比，對燃料電池的發展和電池電極性能的提高具有重要意義。它還可以生產微晶或納米晶，或通過化學合成控制晶片的邊緣。這是增加存儲容量的理想方法。

2 鋰離子電池綜述

2.1 鋰離子電池簡介

鋰離子電池具有較高的能量比，良好的綜合性能，已成為電子設備電源的首選。石墨烯的發現為鋰離子電池更高性能的突破帶來了無限可能，因此鋰離子電池材料的研究成為新時代的寵兒。在電子信息時代的發展背景下，鋰離子電池在其開發和應用領域已成為主要的研究對象。電池負極材料在利用鋰離子的過程中，碳的同位異構體或與其他材料形成的混合物可作為導電性能優良的穩定材料。

2.2 鋰離子電池工作原理

在鋰離子電池中，鋰離子的鋰源是負極，使用壽命長，安全性好。以最常見的石墨陽極和鈷酸鋰陰極鋰離子電池為例，鈷酸鋰氧化物中的鋰與石墨中的鋰處于平衡狀態，石墨插層能與鋰離子可逆結合形成最終反應物。鋰源為石墨表面的鈍化膜提供電荷，在實際的鋰離子電池技術中，一個重要的任務就是降低所需的功率，使正極材料更加耐用。在充放電過程中，鋰離子與電解液中的分子結合形成金屬沉積。它們在表面形成一層薄膜，阻止電子遷移，但允許鋰離子通過。這在電極表面形成了一層鈍化膜，使問題集中在陽極的穩定性上。實際上，就電壓和容量而言，陰極是一個限制因素，而就可逆性而言，則考慮陽極的穩定性。

2.3 鋰離子電池缺陷

目前，鋰離子動力電池的發展存在四大瓶頸：能量密度低、快速充電性能差、低溫充放電性能差、安全性差。電池的能量密度是指電池每單位體積或質量釋放的能量。由于正極和負極材料的比容量較低，鋰離子電池的能量密度較低。導致鋰離子電池大多用于小型電子設備。但現在越來越多的設備對電池的要求越來越高，因此鋰離子電池需要提高性能。

鋰離子在石墨電極中的擴散速度慢，低溫充放電性能與鋰離子在電極中的擴散路徑和電解液的低溫活性有關。鋰離子電池的壽命也是一個問題。在使用過程中，鋰離子電池的性能會不斷下降，無法獲得安全耐用的電池。鋰離子電池也有致命的安全缺陷。在大功率充放電過程中，由于沒有保護膜和電解液，電極極易持續氧化。當材料衰減速度大大加快時，可能會釋放氣體，造成不可逆的損失和安全隱患

3 石墨烯在鋰離子電池中的應用

石墨烯自誕生以來就引起了人們的廣泛關注。近年來，隨著石墨烯及其相關材料的發展，其性能得到了廣泛的探索和應用。石墨烯具有高導電性，可以大大提高石墨烯鋰離子電池的電流容量和能量密度。事實上，石墨烯既可以用作陰極也可以用作陽極。石墨烯所具有的物理化學性質較為特殊，其應用潛力在電極材料領域巨大。鋰離子電池主要有正、負極材料及隔膜和電解液組成。同時，對電池性能存在非常重要影響的電極材料。石墨烯材料的應用在鋰離子電池中大致可以分為三類：一是在電池正極中的應用，二是在電池負極中的應用，三是在電池中的其它應用。

3.1 石墨烯在正極材料中的應用

對于鋰離子電池，合適的正極材料應滿足可逆容量大、電位高、穩定性好、無毒、生產成本低等要求。鋰離子電池在儲能密度方面正極材料的性能非常關鍵，然而正極材料在比容量方面與負極材料相比較，處于落后狀態。而其生產成本恰好是電池生產成本的40%。大量帶正電荷的鋰離子需要由正極活性材料來接收并保持穩定狀態。正極導體采用石墨烯材料具有明顯的優點，其在導電效率及耗電量方面顯著提高了電池的單位儲能能力。電池中的石墨烯與正極中的活性物質接觸后，能夠形成平面結構，在整個電極表面能夠輕松構件導電網絡。

3.2 石墨烯在負極材料中的應用

鋰離子電池負極材料應滿足可逆容量大、對環境無毒、穩定性好、成膜致密穩定、氧化還原電位低、生產成本低等要求。石墨烯具有特殊的層狀結構，比傳統的碳負極材料能儲存更多的鋰。石墨烯適用于鋰離子電池、太陽能電池、燃料電池等。當電池的負極材料采用純石墨烯時，其具有很高的初始放電容量，首次循環效率較低且穩定性差等諸多問題。然而當石墨烯與其它電池負極活性材料復合后，能夠激發石墨烯材料的潛能，從而能夠發揮更大的作用。石墨烯可以有效地減小活性材料的粒徑，防止納米粒子的聚集，提高復合材料的電子和離子傳輸能力和機械穩定性。因此，該電極材料具有容量大、放電性能好、循環壽命長的特點，可以充分發揮石墨烯與相關材料的協同效應。因此，石墨烯可以提高材料的導電性和電池的性能。

3.3 鋰離子電池石墨烯材料的電化學改性

在電解液的改性中采用石墨烯材料可實現電池的快速充電，同時能夠最大程度的降低電池的使用溫度。石墨烯復合材料利用其獨特的平面結構能夠實現鋰離子在其表面的快速遷移。當在電池電解液中加入石墨烯能夠顯著增加充電電流，大大縮短充電時間。由于石墨烯材料具有優異的導熱性能，在電池充電時可以做到快速散熱。而華為的瓦特實驗室在鋰離子電池領域具有多年的研發經驗，作為石墨烯材料研究的領導者。該公司在2016年，利用石墨烯材料研發出一種新型的高溫鋰離子電池。該類型電池可將使用的極限溫度提高10℃左右，能夠明顯延長電池的使用壽命。

3.4 石墨烯在鋰離子電池中的其他應用

石墨烯優異的機械強度和韌性在可變形鋰離子電池的制備中也發揮著獨特的作用。在對苯二甲酸乙酯表面涂覆石墨烯薄膜，形成相對彈性好的復合材料，并降低材料的密度，優化其性能。程等將石墨烯材料真空過濾到濾紙表面，使石墨烯/纖維素復合材料具有優異的力學性能和導電性。柔性鋰離子電池材料可以提高鋰離子電池的環境適應性。隨著研究的發展，柔性電極材料有望應用于耐磨電子器件中。

4 石墨烯鋰離子電池創新設計

我國在干式機械剝離技術方面具有自主研發的能力，其中材料轉化和工藝優化等新技術，近年來為新型電池設計的主導方向。隨著科學技術的進步，石墨烯的生產成本得到了大大的降低。石墨烯目前達到了納米級，其結構在復合材料的參與下可以重新組裝成微米級的千層餅結構，能夠形成大量的微孔。電池如果采用這種材料作陰極能夠獲得更高的容量和效率。利用大量石墨烯作為活性物質硫的載體和無缺陷石墨烯作為導電劑，一些石墨烯氧化物可以在正極上阻斷多硫化物。石墨烯廣泛應用于超級電容器和太陽能電池中。

5 石墨烯產業發展前景

總體來看，石墨烯產業尚處于探索階段，材料制備方法有待拓展和優化，下游產品技術也需要時間成熟。然而，作為21世紀的明星材料，隨著技術成熟度的提高，石墨烯必將得到廣泛的應用。為了解決這些主要問題，近年來石墨烯電極材料的優化主要集中在以下幾個方面：

（1）提高電池的可逆比容量，改善電池的充放電性能，延長電池壽命。

（2）提高電子轉移速率和不密封性提高電極材料的倍率，提高鋰離子電池倍增器的性能，實現快速充電，提高電池的充放電性能。

（3）新型納米材料在其實際應用中的途徑得以拓寬，能夠發揮材料的綜合性能，充分發揮其優勢。

（4）加強石墨烯電極材料的柔韌性能，加大開發力度，提高電池材料的變形能力，增強其環境適應性。

（5）開發和優化新的生產工藝，降低石墨烯電極材料的生產成本，并實現電池的大規模商業化生產。

（6）積極尋找化學穩定、綠色、無污染的復合材料，實現電池的環保，減少電極材料帶來的安全隱患和污染。

6 結語

隨著科學技術的不斷進步，石墨烯材料通過不斷的改良，其復合材料在鋰離子電池中的應用將會越來越廣泛。而石墨烯材料與其它電極材料的結合能夠顯著提高鋰離子電池的性能。同時，石墨烯層的結構和形貌對提高電極材料的電化學性能具有重要意義。其性能的充分發揮需要各國各級研究人員的共同努力。而石墨烯的潛在研究價值在鋰離子電池中能夠充分得到體現，相信在不久的將來。相對成熟的石墨烯鋰離子電池可以商業化生產，真正造福世界。