石墨烯材料在鋰離子電池和鋰硫電池中的應(yīng)用分析
來源：寶鄂實業(yè)
2019-12-10 06:32
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石墨烯作為一種新型納米材料,以其特殊的二維單層延伸碳結(jié)構(gòu)、出色的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、韌性及強度等優(yōu)異性能,在功能材料、能源等多個領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。石墨烯的加入對不同電極材料導(dǎo)電性提高和對鋰離子電池電化學(xué)性能的改善，尤其是對大電流放電性能和倍率性能的改善。
石墨烯材料在鋰離子電池中的應(yīng)用
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。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)新型鋰離子電池負極材料的研究。
石墨烯由于其高電導(dǎo)率、超大比表面積、高化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)異的物理和化學(xué)特性,在鋰離子電池中進行了廣泛研究,石墨烯由于其質(zhì)量輕、導(dǎo)電性好、韌性高等優(yōu)勢成為材料研究層面的一大突破。石墨烯在電極材料研究領(lǐng)域開發(fā)潛力巨大。按照應(yīng)用領(lǐng)域的不同，石墨烯材料在鋰離子電池中的應(yīng)用大體可分為三類：石墨烯在正極材料中的應(yīng)用、在負極材料中的應(yīng)用和在鋰離子電池中的其他應(yīng)用。
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)。
目前石墨烯負極復(fù)合材料主要有：過渡金屬氧化物/石墨烯復(fù)合材料和石墨烯改性硅基材料等。這一類復(fù)合材料的研究方向是利用石墨烯材料的導(dǎo)電性能和結(jié)構(gòu)特點輔助納米材料，改善其鋰離子傳輸速率，從而提高鋰離子電池的倍率性能，彌補原材料的缺陷和不足。
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)化鋰離子電池的電導(dǎo)率。
石墨烯材料在鋰硫電池中的應(yīng)用
在傳統(tǒng)鋰離子電池中，正極材料因“插層式”的儲鋰機制導(dǎo)致其容量普遍較低，無法滿足快速增長的市場需求。因此，新型高能量密度二次電池的探索和研發(fā)成為了儲能領(lǐng)域的研究熱點，其中其中鋰硫電池就是其中之一。
為了獲得高性能的鋰硫電池，研究者對硫正極進行了多種手段的復(fù)合與改性研究，設(shè)計并制備了一系列具有新穎結(jié)構(gòu)和優(yōu)異性能的復(fù)合硫正極材料。其中，碳材料因其導(dǎo)電性高、結(jié)構(gòu)豐富、比表面積大等優(yōu)勢而得到了廣泛應(yīng)用，而石墨烯這一新型碳材料在提升鋰硫電池性能方面有優(yōu)異表現(xiàn)。
石墨烯是優(yōu)異的電子導(dǎo)體，同時具有機械強度高、比表面積大等優(yōu)點，同時化學(xué)改性的石墨烯及石墨烯衍生物具有一系列能為負載提供諸多活性位點的表面官能團，因此石墨烯在復(fù)合硫正極材料中得到了廣泛的應(yīng)用。一方面，石墨烯材料被用作硫正極的導(dǎo)電載體，彌補硫?qū)щ娦圆畹娜毕?；另一方面，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計與表面改性，石墨烯還能夠抑制多硫化物的溶解。
石墨烯鋰電池材料極高的電導(dǎo)率可以彌補硫顆粒導(dǎo)電性差的問題，因此石墨烯材料多被設(shè)計成負載硫單質(zhì)的導(dǎo)電基體或者導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，比如石墨烯泡沫結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)石墨烯與硫在納米尺度的均勻復(fù)合，能夠為硫提供快速與高效的電子傳輸通道，同時納米孔還能夠有效束縛多硫化物。
