基于石墨烯的各項(xiàng)特殊理化性質(zhì)，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(fù)極材料中的應(yīng)用和在鋰離子電池中的其他應(yīng)用。

 

 

 

1 石墨烯在正極材料中的應(yīng)用

 

 

 

對(duì)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(wú)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材料，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(duì)石墨烯材料的研究相對(duì)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。

 

 

 

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(cè)可能是因?yàn)殇囯x子無(wú)法通過(guò)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(guò)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

 

 

 

鋰離子電池負(fù)極材料應(yīng)當(dāng)滿足氧化還原電位低且穩(wěn)定、可逆容量大、可形成致密穩(wěn)定SEI膜、對(duì)環(huán)境無(wú)毒害、制作成本低等條件。相對(duì)于正極材料，石墨烯在負(fù)極材料中的應(yīng)用研究更加廣泛深入。

 

 

 

石墨烯直接作為負(fù)極材料

 

石墨烯具有良好的導(dǎo)電性能，但其二維微觀結(jié)構(gòu)的易相互堆疊導(dǎo)致對(duì)石墨烯獨(dú)立電極材料的研究并不理想。主要表現(xiàn)為電池的倍率性能差、循環(huán)效率低等方面。Honma等制得的石墨烯可逆比容量在首次循環(huán)（50mA/g電流密度）中可以達(dá)到540mAh/g，但在多次循環(huán)后可逆比容量下降較快；而利用熱膨脹法獲得石墨烯在100mA/g電流密度首次循環(huán)時(shí)可以達(dá)到較高可逆比容量（1264mAh/g），且在40次循環(huán)后仍可保持較高的可逆比容量。

 

 

 

石墨烯復(fù)合負(fù)極材料

 

目前石墨烯負(fù)極復(fù)合材料主要有：過(guò)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(diǎn)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(bǔ)原材料的缺陷和不足。

 

 

 

Si元素可用于鋰離子電池形成充電比容量極高的Li4.4Si，其放電電壓穩(wěn)定、自然儲(chǔ)量豐富的特點(diǎn)使其擁有極大的發(fā)展前景；但其在充放電過(guò)程中的體積變化嚴(yán)重，導(dǎo)致電池的循環(huán)效率較低。若用納米碳材料對(duì)Li4.4Si材料進(jìn)行適當(dāng)?shù)陌瑒t可減緩這種體積效應(yīng)帶來(lái)的影響。Yushin等利用CVD法將Si膜形成在石墨烯材料的表面，并用丙烯在高溫條件下進(jìn)行了碳包覆以增強(qiáng)其導(dǎo)電性，制得了一種Si/(G+C)復(fù)合材料，有效地實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋰-硅材料充放電過(guò)程中體積效應(yīng)的改善，增強(qiáng)了電池循環(huán)性能。但是這類材料的制備成本較高，材料也具有易燃的性質(zhì)，在安全方面具有一定的問題，但可以看作是石墨烯復(fù)合材料改善原材料缺陷的典例之一。

 

 

 

過(guò)渡金屬氧化物在金屬元素不同氧化態(tài)之間的轉(zhuǎn)化過(guò)程中具有十分可觀的理論容量，但其獨(dú)立材料存在體積效應(yīng)大、電子傳輸速率低等問題。如果將金屬氧化物的納米材料附著于石墨烯表面，則可以防止顆粒之間的團(tuán)聚，同時(shí)充分發(fā)揮石墨烯材料的比表面積優(yōu)勢(shì)和過(guò)渡金屬氧化物的高容量?jī)?yōu)勢(shì)，提高鋰離子的傳輸速率。

 

 

 

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(guò)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(duì)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。