新型鋰電池負(fù)極材料石墨烯的應(yīng)用前景分析
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-12-04 08:25
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負(fù)極材料的能量密度是影響鋰離子電池能量密度的主要因素之一，可見負(fù)極材料在鋰離子電池化學(xué)體系中起著至關(guān)重要的作用，其中研究較為廣泛的鋰電池負(fù)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(fù)極材料。
鋰電池負(fù)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(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)特性，在材料學(xué)、微納加工、能源、生物醫(yī)學(xué)和藥物傳遞等方面具有重要的應(yīng)用前景，無論是輕薄、硬度、導(dǎo)熱、導(dǎo)電，都是所有材料之最，被認(rèn)為是一種未來革命性的材料。
鋰電池負(fù)極材料石墨烯的優(yōu)勢
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(yōu)異的導(dǎo)電性能可以增強(qiáng)金屬電極材料的電子傳輸能力;
3.石墨烯表面的活化核點(diǎn)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(fù)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(hù)石墨烯表層，防止電解質(zhì)插入石墨烯片層導(dǎo)致電極材料剝落現(xiàn)象。
新型鋰電池負(fù)極材料石墨烯的應(yīng)用前景
以石墨烯為負(fù)極材料的電池儲(chǔ)電量是目前市場最好產(chǎn)品的3倍，用此電池提供電力的電動(dòng)車最多能行駛1000公里，而充電時(shí)間不到8分鐘。擁有如此優(yōu)良性能的石墨烯電池成本并不高。比一般鋰離子電池低77%，完全在消費(fèi)者承受范圍之內(nèi)。
在正極復(fù)合材料中，石墨烯二維高比表面積的特殊結(jié)構(gòu)及優(yōu)異的電子傳輸能力，能有效改善正極材料的導(dǎo)電性能，提高鋰離子的擴(kuò)散傳輸能力。相比于傳統(tǒng)導(dǎo)電添加劑，石墨烯導(dǎo)電劑的優(yōu)勢在于能用較少的添加量，達(dá)到更優(yōu)異的電化學(xué)性能。
純石墨烯材料由于首次循環(huán)庫侖效率低、充放電平臺(tái)較高以及循環(huán)穩(wěn)定性較差，并不能取代目前商用的碳材料直接作為鋰離子電池負(fù)極材料使用。但石墨烯可以作為一種優(yōu)異的基體材料在鋰電池復(fù)合電極材料中發(fā)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(fù)合，能利用石墨烯的特殊片層結(jié)構(gòu),改善材料的力學(xué)性能和電子傳輸能力。同時(shí),摻雜后的石墨烯片層間距增大，提供更多的儲(chǔ)鋰空間。
另外,石墨烯還可以用于改性其他非碳基負(fù)極材料。目前研究的鋰離子電池非碳基負(fù)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(diǎn)是在嵌鋰/脫鋰過程中體積膨脹收縮變化明顯。石墨烯摻雜改性后的復(fù)合材料能改善這兩種材料單獨(dú)使用時(shí)的缺點(diǎn)。
石墨烯的制備方法有溶劑熱法、高溫還原、光照還原、外延晶體生長法、微波法、電弧法、電化學(xué)法等，機(jī)械剝離法、化學(xué)氣相沉積法、氧化-還原法、溶劑剝離法。其中較為常見的是機(jī)械剝離法、化學(xué)氣相沉積法、氧化-還原法和溶劑剝離法。
機(jī)械剝離法：
當(dāng)年Geim研究組就是利用3M的膠帶手工制備出了石墨烯的，但是這種方法產(chǎn)率極低而且得到的石墨烯尺寸很小，該方法不具備工業(yè)化生產(chǎn)的可能性。
化學(xué)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(xué)氣相沉積法的優(yōu)點(diǎn)在于可以生長大面積、高質(zhì)量、均勻性好的石墨烯薄膜。但缺點(diǎn)是成本高工藝復(fù)雜存在轉(zhuǎn)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(qiáng)酸和強(qiáng)氧化性物質(zhì)反應(yīng)生成氧化石墨，是生產(chǎn)石墨最主流的方法，但該方法所產(chǎn)生的廢液對環(huán)境污染比較嚴(yán)重，并且氧化-還原法生產(chǎn)的石墨烯存在缺陷，部分電學(xué)和力學(xué)性能損失。
