新型碳材料在鋰離子電池中的應(yīng)用研究進(jìn)展

劉思達(dá) 孔維納 郝連慶

隨著環(huán)境污染和能源危機(jī)的加劇，鋰離子電池市場化進(jìn)程得到了極大的推動。鋰離子電池比容量大、效率高、壽命長以及無污染等特性優(yōu)點使其成為電子市場的首選電源，在混合動力汽車和電動汽車等可持續(xù)電力系統(tǒng)中也發(fā)揮著重要作用[1-3]。近年來，電動汽車行業(yè)的快速發(fā)展對鋰離子電池的各項性能提出更高要求，現(xiàn)有鋰離子電池能量密度較低的限制阻礙了其大規(guī)模應(yīng)用，新一代高效鋰離子電池的開發(fā)迫在眉睫。國內(nèi)外研究人員對鋰電池的正負(fù)極材料、隔膜材料、電解質(zhì)材料等展開了探索研究[4-7]。

21世紀(jì)以來碳材料發(fā)展迅速，其在電化學(xué)儲能器件中也具有重要作用。具體作用可分為2個方面：①作為活性物質(zhì)，在電池系統(tǒng)中提供不同的電化學(xué)性能；②作為非活性物質(zhì)，如包覆層、導(dǎo)電劑、載體等，提高復(fù)合材料的電化學(xué)性能[8]。傳統(tǒng)碳材料的電壓平臺較低，且其嵌鋰過程較慢，限制了鋰離子電池的性能。而以石墨烯、碳納米管、石墨炔等為代表的新型碳材料因自身特殊的納米結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的電化學(xué)性能和導(dǎo)電性能，在能源存儲和轉(zhuǎn)換領(lǐng)域應(yīng)用中表現(xiàn)出巨大發(fā)展?jié)摿9-12]。本文主要總結(jié)了石墨烯、石墨炔和碳納米管等新型碳材料在鋰離子電池中的應(yīng)用研究，并對其應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

1 鋰離子電池的結(jié)構(gòu)原理

正極材料、負(fù)極材料、隔膜、電解液是鋰離子電池的4個主要組成部件，其中正極材料最常見的為鋰金屬氧化物，如鈷酸鋰（LiCoO2），負(fù)極材料為石墨或其他碳材料，電解液由有機(jī)溶劑、鋰鹽溶液等組成，如圖1所示。……