石墨烯能用在正極材料嗎？

正極材料應(yīng)該具有以下幾個特點：

1、放電反應(yīng)時應(yīng)具有比較大的負的吉布斯自由能（高放電電壓）。

2、主體結(jié)構(gòu)應(yīng)具有較低的分子量和能夠嵌入大量鋰的能力（高能量容量）。

3、主體結(jié)構(gòu)應(yīng)有較高的化學(xué)擴散系數(shù)（高倍率性能）。

4、在嵌入和脫嵌時材料的結(jié)構(gòu)應(yīng)該盡可能的不發(fā)生變化（長循環(huán)壽命）。

5、材料應(yīng)該是化學(xué)性能穩(wěn)定的，無毒并且成本較低的。（低成本）

6、材料在工藝處理時容易。（加工容易）

利用功能涂層對電池導(dǎo)電基材進行表面處理是項習(xí)知技術(shù)，覆碳鋁箔/銅箔就是將分散好的納米導(dǎo)電石墨和碳包覆粒，均勻、細膩地涂覆在鋁箔/銅箔上，通常正極基材是鋁箔，負極基材是銅箔。以聚合物鋰電池為例，正極涂層是鈷酸鋰（或其他正極材料）＋ PVDF + 導(dǎo)電劑；負極涂層是石墨（或其它負極材料）＋ SBR + 導(dǎo)電劑。在電池充放電的過程中，正極材料不但要作為鋰源，提供在電池內(nèi)部正負兩極嵌鋰材料間往復(fù)嵌脫所需要的鋰，還要負擔(dān)電池負極材料表面形成固液界面膜（SEI膜）所消耗的鋰。因此，理想的正極材料需具備以下特點：電位高、比容量高、密度大（包含壓實密度和振實密度）、安全性好、倍率性能佳和長壽命等。能滿足以上要求的材料根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點主要分為三種，即層狀結(jié)構(gòu)材料LiMO2（M=Co、Ni、Mn）；具有尖晶石結(jié)構(gòu)的錳酸鋰材料（LiMn2O4）；具有橄欖石結(jié)構(gòu)的LiMPO4（M=Fe、Mn、Co、Ni）。近年來，三元及鋰硫材料也受到了越來越多的關(guān)注。

正極材料不僅作為電極材料參與電化學(xué)反應(yīng)，更是鋰離子的來源，會影響鋰離子的遷移速率和電子遷移速率，從而影響鋰離子電池的低溫速率。傳統(tǒng)的正極材料都是高價態(tài)金屬氧化物，燒的時候都是氧化氣氛，碳摻進去一熱處理，要么就燒完了，要么金屬沒氧化到高價，就會出現(xiàn)與Li的混排，進而影響性能。通過石墨烯包覆磷酸鐵鋰作為正極材料也有很多人在嘗試，通常抱怨有二點，一是石墨烯還是碳，石墨烯儲鋰電位太低，它的儲鋰平臺在零點幾伏，在正極材料中一般電極電位都在 3.4V 以上，這時石墨烯沒有儲鋰性能，石墨烯只能起到導(dǎo)電作用。另外，因為采用石墨烯包覆正極材料，一般來說工藝不成熟導(dǎo)致性能都不會太好，所以很多人就認為石墨烯不適合用在正極上。但實際上，李喜飛教授在五氧化二釩的表面均勻地包覆一層石墨烯，就可以很好地提高比容量和循環(huán)性能。為什么石墨烯能給我們帶來很好的循環(huán)性能，這里面很大的一點就是 Rct（電荷轉(zhuǎn)移電阻）大大地降低了。在這個基礎(chǔ)之上，他也更換了二氧化釩體系，也得到了類似的結(jié)果。后來對這個方法進行了很大的擴展，比如說把這個方法擴展在二氧化錫的表面等，得出結(jié)論是：石墨烯可以通過適當(dāng)工藝很均勻地把這些材料（不管是管或球狀，還是立體，都能很均勻包裹住），且石墨烯的含量基本是在 1%-2%。這是因為石墨烯強的導(dǎo)電性，減少了電極活性材料與電解質(zhì)之間的界面電阻，有利于 Li + 傳導(dǎo)；同時，石墨烯片層包覆在電極材料表面，抑制了金屬氧化物的溶解和相轉(zhuǎn)變，保持了充放電過程中電極材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

尖晶石型的 LiMn2O4 以及橄欖石型的 LiFePO4 是目前實際應(yīng)用較為廣泛的鋰電池正極材料。但這類材料的電子傳導(dǎo)性差、Li+ 遷移過慢、大倍率充放電下電極與電解液間的電阻率大。一些研究中，引入石墨烯材料為解決這些問題帶來了可行的途徑。使用石墨烯改性的 LiFePO4和 LiMn2O4，電子的傳導(dǎo)率和倍率性能有了明顯提升。主要原因是石墨烯材料的使用大大縮短了鋰離子在正極材料中的擴散路徑，同時復(fù)合材料內(nèi)部的高空隙率也為鋰離子提供了大量的可嵌入空間，儲鋰容量和能量密度得到提升。例如，碳包覆 LiFePO4/石墨烯納米晶片在 17 mA/g 的電流密度下充放電循環(huán) 100 次后，可逆儲鋰容量為 158 mAh/g，庫倫效率高于 97%。在 60C 下充放電后的可逆容量為 83mAh/g，該材料的倍率性能很優(yōu)異。

結(jié)論：

以石墨烯負載正極高價態(tài)金屬氧化物之技術(shù)來提高比容量和循環(huán)性能。對于鋰電的負極材料而言，過渡金屬氧化物或具有前景的Si基材料進行石墨烯摻雜后在比容量、電壓特性、內(nèi)阻、充放電性能、循環(huán)性能、倍率性能等電化學(xué)性能方面已經(jīng)表現(xiàn)出了優(yōu)異的特性。石墨烯基中雜原子摻雜引入了更多的面缺陷，提高石墨烯材料的電導(dǎo)率，使復(fù)合材料擁有更優(yōu)良的性能。鋰電正極材料類似，引入石墨烯材料到鋰離子電池正極材料系統(tǒng)可以提高正極材料的電導(dǎo)率，保護正極材料避免粉化、崩塌，抑制正極材料的溶解。