石墨烯在鋰電池負(fù)極材料中有哪些應(yīng)用？
來源：寶鄂實業(yè)
2020-05-10 09:17
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石墨烯作為鋰電池負(fù)極材料，當(dāng)采用50mA/g的電流密度充放電時，該石墨烯電極材料的比容量為540mAh/g；再經(jīng)20次循環(huán)后，容量發(fā)生一定程度的衰減。石墨烯具有優(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。
研究發(fā)現(xiàn)，這可能與材料中石墨烯片層的排列方式未得到優(yōu)化有關(guān)。以石墨烯紙作為鋰離子電池負(fù)極材料時，循環(huán)性能就不太理想，首次循環(huán)之后，比容量就下降到100mAh/g以下(充放電電流密度50mA/g)。文獻(xiàn)等采用熱膨脹氧化石墨法制備的石墨烯，將其應(yīng)用于鋰離子電池負(fù)極材料中。當(dāng)采用1mA/g的電流密度充放電時，其比容量可達(dá)554mAh/g。
更為驚喜的是，發(fā)現(xiàn)如果在其中摻入C60和碳納米管后，其比容量可高達(dá)784mAh/g。研究證明，石墨烯材料雖具有非常高的鋰離子擴(kuò)散速率，作為鋰電池負(fù)極材料時，首次可逆比容量較高，但經(jīng)過幾次循環(huán)后，容量衰減嚴(yán)重，并且充放電曲線滯后嚴(yán)重，因此很難單獨作為電極材料使用。而石墨烯獨特的柔性結(jié)構(gòu)若與高容量金屬或氧化物粒子復(fù)合用作負(fù)極材料則具有得天獨厚的優(yōu)勢。
與傳統(tǒng)鋰電池負(fù)極材料相比較，石墨烯作為鋰電池負(fù)極材料時，可有效提高相應(yīng)電池的比容量，增強(qiáng)電極和電解液之間的導(dǎo)電接觸，改善其充/放電倍率性能。同時，石墨烯“柔韌”的單原子層二維結(jié)構(gòu)也可有效抑制電極材料在充放電過程中發(fā)生體積變化引起的材料膨脹、粉化等，從而提高電池的循環(huán)穩(wěn)定性。
此外，通過化學(xué)氧化插層—剝離—再還原法合成的化學(xué)還原石墨烯表面含有特定的含氧化學(xué)基團(tuán)，如羧基、羥基和環(huán)氧基等，可為其結(jié)構(gòu)和表面功能改性以及與其他材料的復(fù)合提供豐富的反應(yīng)和鍵合位點，也為三維超結(jié)構(gòu)石墨烯基復(fù)合材料的設(shè)計和合成提供多種可能的途徑。
由于石墨烯片之間較強(qiáng)的π-π疊合作用，石墨烯可團(tuán)聚形成類似于石墨的層狀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響鋰離子的嵌脫。這也證明純石墨烯并非是一種理想的鋰電池電極材料。
因此，近兩年來石墨烯基納米復(fù)合材料，如石墨烯/碳納米管、石墨烯/碳60(C60)、石墨烯/無機(jī)納米粒子等復(fù)合材料被廣泛地應(yīng)用于鋰離子電池負(fù)極材料研究。通過納米粒子與石墨烯之間的有效復(fù)合，可有效阻止石墨烯片之間的疊合/團(tuán)聚，有利于鋰離子的嵌脫。
1.國際石墨烯發(fā)展現(xiàn)狀。目前國際上從事石墨烯產(chǎn)業(yè)研究的國家包括英國、美國、歐盟、韓國和日本等，各國發(fā)展?fàn)顩r不同。
英國：作為石墨烯的“誕生地”，英國在石墨烯的基礎(chǔ)研發(fā)方面居于全球領(lǐng)先地位，但從事商業(yè)開發(fā)的石墨烯企業(yè)較少，因此在石墨烯應(yīng)用方面并非其強(qiáng)項。
美國：美國對石墨烯的研究投入較早，石墨烯產(chǎn)業(yè)化和應(yīng)用進(jìn)程相對較快，其產(chǎn)業(yè)布局也呈現(xiàn)多元化，產(chǎn)業(yè)鏈相對比較完整。
歐盟：歐盟的石墨烯研究起步早且系統(tǒng)性強(qiáng)，并將石墨烯研究提升至戰(zhàn)略高度，資金支持力度大，基礎(chǔ)研究扎實。
韓國：韓國石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展產(chǎn)學(xué)研結(jié)合緊密，在基礎(chǔ)研究及產(chǎn)業(yè)化方面發(fā)展較為均衡，整體發(fā)展速度較快。
日本：日本依托其良好的碳材料產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，是全球最先進(jìn)行石墨烯研究的國家之一，產(chǎn)學(xué)研結(jié)合較為緊密，整體發(fā)展較為全面。
2.國內(nèi)石墨烯發(fā)展現(xiàn)狀。從專利數(shù)量上來看，我國國內(nèi)石墨烯領(lǐng)域?qū)＠暾埩恐饕性陂L三角地區(qū)，其中江蘇的申請量居于首位(4102件)，廣東(2537件)和北京(2333件)次之，而東北和西部地區(qū)的專利申請量較低。從產(chǎn)業(yè)集聚度來看，國內(nèi)目前的石墨烯公司大多分布在東部沿海一帶，尤其是長三角、珠三角、京津冀魯聚合區(qū)。
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