.1 石墨烯在正極材料中的應(yīng)用

 

對于鋰離子電池，可應(yīng)用的正極材料應(yīng)當(dāng)滿足可逆容量大、電位高且穩(wěn)定、無毒害、制作成本低等特點(diǎn)。目前較為常見的鋰離子電池正極材料多為磷酸鐵鋰（LiFePO4）材料，其具有高比容量、無毒、生產(chǎn)成本低等特點(diǎn)，但LiFePO4的電導(dǎo)率差、鋰離子遷移率較低。若將LiFePO4材料與石墨烯復(fù)合，理論上可以改善其導(dǎo)電能力，提高倍率性能。由于石墨烯材料的特殊性，在正極方面對石墨烯材料的研究相對較少。研究表明，用水熱法將石墨烯直接覆蓋在LiFePO4表面上制成復(fù)合材料的倍率性能提升效果并不理想，其原因可能是石墨烯材料結(jié)構(gòu)的堆疊或破壞。Wei等研究發(fā)現(xiàn)，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?yàn)殇囯x子無法通過石墨烯的六元環(huán)結(jié)構(gòu)。有研究人員將LiFePO4納米顆粒與氧化石墨進(jìn)行超聲混合，制得了微觀結(jié)構(gòu)更加工整的LiFePO4/石墨烯復(fù)合材料。該材料經(jīng)過進(jìn)一步的常規(guī)碳包覆后嵌鋰比容量大大提升，可在60C高倍率條件下仍然維持在70mAh/g左右。

 

2 石墨烯在負(fù)極材料中的應(yīng)用

 

石墨烯直接作為鋰離子電池的負(fù)極材料，其比容量為540mAh/g;由于石墨烯具有較大的比表面積，科學(xué)家將石墨烯納米片用于鋰電負(fù)極材料時刻提高其可逆容量，在多次循環(huán)后其可逆容量損耗率較低。另外，石墨烯與金屬氧化物、合金材料復(fù)合后可用作鋰離子電池的負(fù)極材料，例如錫基、硅基氧化物等材料。更具納米材料自身特性，利用石墨烯材料的導(dǎo)電性能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)加以改造，將會提高鋰離子傳輸速率，改善鋰離子電池的倍率性能，以彌足原材料的不足和諸多缺陷，降低成本費(fèi)用。

 

3 石墨烯在鋰離子電池中的其他應(yīng)用

 

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)化電池的電導(dǎo)率。Han等將石墨烯材料加入Si納米材料中，其改性效果優(yōu)于一般的導(dǎo)電添加劑如天然石墨等。其首次循環(huán)可逆比容量高達(dá)2347mAh/g，循環(huán)20次后仍可達(dá)2041mAh/g；Song等將石墨烯作為導(dǎo)電添加劑加入到石墨材料當(dāng)中，優(yōu)化了石墨材料的導(dǎo)電性能。其機(jī)理是石墨烯材料以層狀結(jié)構(gòu)搭建在石墨之間，類似于構(gòu)建起電子通過的“橋梁”。這種材料與石墨接觸面積大，避免在多次循環(huán)后類似乙炔黑顆粒的體積變化、與石墨材料接觸面積減小而導(dǎo)致的性能下降。此外，石墨烯還可用于LiFePO4納米顆粒導(dǎo)電性能的提升。

 

此外，石墨烯由于其出色的力學(xué)強(qiáng)度和韌性在制備可變形性強(qiáng)的鋰離子電池方面也發(fā)揮了獨(dú)特作用。He等將對苯二甲酸乙二酯表面涂上石墨烯薄膜形成的復(fù)合材料具有可觀的柔性，并且減小了材料的密度，優(yōu)化了其性能；Cheng等則將石墨烯材料真空抽濾附著在濾紙表面，制得了力學(xué)性質(zhì)和導(dǎo)電性能都較為優(yōu)越的石墨烯/纖維素復(fù)合材料。以上所述及其他柔性鋰離子電池材料多可用于提升鋰離子電池的環(huán)境適應(yīng)能力等用途中，隨著研究發(fā)展，這類柔性電極材料還有望應(yīng)用于可穿戴式電子設(shè)備當(dāng)中。