石墨烯在鋰離子電池材料性能優(yōu)化中的應(yīng)用分析

摘 要：結(jié)合目前對石墨烯材料特殊二維結(jié)構(gòu)和優(yōu)異物理化學(xué)性質(zhì)的研究，提高鋰離子電池的低能量密度和低循環(huán)性能，對鋰離子正極中的石墨烯材料和石墨烯復(fù)合材料進(jìn)行綜述，探討了石墨烯復(fù)合材料作為鋰離子電池電極的結(jié)構(gòu)和功能調(diào)節(jié)的重要性。

關(guān)鍵詞：石墨烯；鋰離子電池；電極材料；性能優(yōu)化；應(yīng)用分析

一、石墨烯在鋰離子電池材料中應(yīng)用概述

（一）石墨烯在鋰離子電池材料中的發(fā)展

由于全球環(huán)境污染以及能源危機(jī)的嚴(yán)峻形勢下，對可持續(xù)的新能源儲存和運(yùn)輸面臨著重大的需求。在新的系統(tǒng)研究過程中，工業(yè)部門最初建立和改進(jìn)了儲能材料和器件評估系統(tǒng)，特別是作為新能源儲存系統(tǒng)。自首次提出鋰電池概念以來，經(jīng)過四十多年的發(fā)展，新的電池材料具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其理論水平的重要應(yīng)用前景[1]。

因此，現(xiàn)在儲能系統(tǒng)性能的主要問題是發(fā)現(xiàn)具有性能的能量儲備或優(yōu)秀的材料改性，確保最大的材料性能。當(dāng)發(fā)現(xiàn)新的儲能材料時，往往沒有提供合理的技術(shù)要求，就極大限度地限制了材料的性能。石墨烯材料的出現(xiàn)是解決問題的開始。石墨烯是通過碳原子sp2雜化連接的氮原子層的二維蜂窩結(jié)構(gòu)。通過將石墨烯彎曲成足球形狀，形成一維碳納米管，并且三維石墨烯被認(rèn)為是石墨烯片的致密層。

（二）石墨烯在鋰離子電池材料應(yīng)用特點(diǎn)

石墨烯的發(fā)現(xiàn)豐富了碳材料，進(jìn)而豐富了儲能材料優(yōu)化和改性的方法體系。因?yàn)槭┑膶?dǎo)電率高，比表面積大，強(qiáng)度和剛度高等優(yōu)良性能。理想的石墨烯是一種真正的表面固體，其所有碳原子都暴露在表面上，并且具有獨(dú)特的優(yōu)勢，即它被用作鋰離子電池的正極和負(fù)極材料。石墨烯具有非常大的比表面積，并且隨著比表面積增加，可以減小電池的極化并且可以減少由于電池的極化導(dǎo)致的能量損失。石墨烯具有優(yōu)異的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，即具有良好的電子傳輸通道，良好的導(dǎo)熱性確保其穩(wěn)定性。在通過附聚形成的宏觀電極材料中，石墨烯片的尺寸遠(yuǎn)小于塊狀石墨，這使得在石墨烯之間添加鋰離子的擴(kuò)散路徑更短，并且層間距更小它還有利于鋰離子的擴(kuò)散[2]。

二、石墨烯在鋰離子電池作負(fù)極材料分析

（一）石墨烯直接作為鋰離子電池負(fù)極材料

為了實(shí)現(xiàn)鋰離子電池的高功率密度和高能量密度，增加鋰離子電池負(fù)極材料的容量是一個主要問題。鋰離子在石墨烯中具有非化學(xué)計(jì)量的嵌入和脫嵌，特殊容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過石墨材料理論的特殊容量；多層石墨烯材料的面內(nèi)結(jié)構(gòu)與石墨的面內(nèi)結(jié)構(gòu)相同，但層間距離遠(yuǎn)大于石墨的層間距，有助于鋰離子的快速插入和脫離[3]。

通過使用氫氧化肼還原預(yù)制的氧化石墨烯片，直接用作鋰離子電池的負(fù)極，這不僅避免使用聚合物粘合劑，而且還避免化學(xué)制備的石墨烯片。包含部分殘留的含氧與石墨陽極相比，具有優(yōu)異的電化學(xué)性能，但直接作為鋰離子電池的負(fù)極材料制成的石墨烯電池裝置的性能不穩(wěn)定。

盡管石墨烯用作鋰電池的負(fù)極材料以改善導(dǎo)電性并改善鋰電池的散熱性能，但石墨烯材料作為負(fù)極電池電極具有直接的缺點(diǎn)：由于高比表面積導(dǎo)致鋰的高儲存容量丟失。由于表面積大，官能團(tuán)和空位豐富等因素，電解質(zhì)在循環(huán)過程中會在石墨烯表面分解，導(dǎo)致部分容量損失。因此，將石墨烯和其他材料合成石墨烯基復(fù)合陽極材料是鋰電池研究的熱點(diǎn)，是未來發(fā)展的趨勢[4]。

（二）石墨烯與過渡金屬氧化物復(fù)合

過渡金屬氧化物是鋰電池負(fù)極材料，具有廣泛的適用性。因此，理論鋰儲存容量高，循環(huán)特性長，并且速度性能良好。然而，過渡金屬氧化物的低導(dǎo)電率和在插入和脫嵌過程中，由鋰離子的添加引起的體積效應(yīng)導(dǎo)致鋰離子電池的負(fù)極性能的不穩(wěn)定性，這通常需要復(fù)合改性處理。一方面，石墨烯材料的添加可以提高過渡金屬氧化物材料的導(dǎo)電性，減輕鋰離子添加和脫嵌的體積效應(yīng)；另一方面，過渡金屬氧化物顆粒的加入有效地避免了石墨烯片的中間層。因此，對石墨烯的合成方法和性能增強(qiáng)進(jìn)行了一系列研究。含少量石墨烯的Co3O4復(fù)合材料表現(xiàn)出柔軟的層狀，很好地卷繞了Co3O4顆粒，從而形成全面的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的方向。穩(wěn)定的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以有效地緩沖充電和放電過程中Co3O4電極材料體積的膨脹和收縮，并改善材料的生命周期[5]。

石墨烯摻雜后，電極材料的電化學(xué)性能得到改善。石墨烯分子可有效防止過渡金屬氧化物在釋放和釋放循環(huán)中的團(tuán)聚，從而保持電極材料的穩(wěn)定性。然而，目前關(guān)于石墨烯復(fù)合微結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)還不夠深，電化學(xué)性能差異的機(jī)理尚不清楚，并且沒有得出該證據(jù)的結(jié)論。因此，復(fù)合材料在循環(huán)前后的微觀結(jié)構(gòu)和形態(tài)變化的比較，并且進(jìn)行深入分析和誘導(dǎo)以確定影響電化學(xué)電極性能的重要因素。

三、石墨烯在正極材料復(fù)合中的應(yīng)用分析

諸如正電極材料的低比容量和差的循環(huán)性能的缺點(diǎn)是限制實(shí)現(xiàn)鋰離子電池的高功率和高能量密度首要問題。為了克服問題，大多數(shù)研究人員已經(jīng)研究了新材料系統(tǒng)以及現(xiàn)有材料系統(tǒng)中雜原子的分析，并改進(jìn)了鋰離子電池的正極材料性能。石墨烯及其衍生物被廣泛引入鋰離子電池正極材料中，以彌補(bǔ)鋰離子電池現(xiàn)有正極材料的低導(dǎo)電率等缺陷，從而提高石墨烯在鋰離子電池材料性能的優(yōu)化[6]。

（一）石墨烯與釩系材料復(fù)合

目前，VO5納米粒子與納米級碳材料相結(jié)合，解決了釩基材料導(dǎo)電率低，鋰離子傳輸速率慢的問題。然而，釩基材料納米粒子易結(jié)塊，性能下降在長期流通下仍然是迫切需要解決的問題。復(fù)合材料中的石墨烯納米片可以有效抑制VO5納米線的聚集。V2O5是另一種基于釩的材料，它具有很大的吸引力。質(zhì)量大的量子色散點(diǎn)可以為活性成分的體積膨脹提供更多的緩沖空間，縮短鋰離子的色散距離，從而增加鋰離子電池的壽命周期和容量上限。一方面，通過將石墨烯材料引入鋰離子電池的陰極材料系統(tǒng)中，可以提高陰極材料的導(dǎo)電性，同時可以防止陰極材料的粉碎和塌陷，從而抑制陰極材料的溶解。另一方面，未來有必要加強(qiáng)具有高容量特性的新型材料系統(tǒng)的開發(fā)，通過構(gòu)造合理的結(jié)構(gòu)，因此石墨烯與釩系材料復(fù)合也將成為未來研究活動的焦點(diǎn)[7]。

（二）石墨烯與LiMn2O4正極材料的復(fù)合

使用石墨烯來改性尖晶石LiMn2O4也表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。采用改造的Hummer法制備了多層石墨烯，并制備了石墨烯/LiMn2O4納米復(fù)合材料。在掃描電子顯微鏡中，復(fù)合材料中的二維石墨烯納米片顯示出皺紋，并且LiMn2O4納米分子被緊密包裹以形成穩(wěn)定的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。具有尖晶石結(jié)構(gòu)的LiMn2O4納米全分子可以適當(dāng)?shù)毓潭ㄔ谑┘{米片的表面上。石墨烯片的存在有效地減少了分子LiMn2O4之間的聚集，因此特定表面的活性不會降低。導(dǎo)電框架良好的導(dǎo)電性能石墨烯納米片結(jié)構(gòu)能有效地防止電解質(zhì)溶液，從而獲得電極材料的優(yōu)異電化學(xué)性能[8]。

綜上所述，在使用石墨烯改性的LiMn2O4材料之后，電子的導(dǎo)電性和速度性能得到顯著改善。這是因?yàn)?，通過使用石墨烯材料，正極材料的鋰離子的擴(kuò)散路徑大大縮短，鋰離子的吸留釋放加深，重整材料內(nèi)的孔隙率增加，鋰離子嵌入空間，從而增加鋰離子電池的儲存容量和能量密度。

石墨烯復(fù)合電極在電化學(xué)性能方面表現(xiàn)出優(yōu)異的特性，但是，由于碳質(zhì)材料微觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，以及材料的結(jié)構(gòu)和電極的電化學(xué)性能制約高性能鋰離子電池的發(fā)展。為了進(jìn)一步解決諸如循環(huán)壽命縮短，低能量密度，低功率密度等缺點(diǎn)，就需要研究單層或多層石墨烯材料的工業(yè)生產(chǎn)方法。通過石墨烯材料的充放電機(jī)理，構(gòu)建合理有效的石墨烯復(fù)合材料的可能性，從而降低石墨烯材料在電化學(xué)性能的影響。

參考文獻(xiàn)

[1]曹亮，王安安，艾立華，等。石墨烯在鋰離子電池材料性能優(yōu)化中的應(yīng)用[J]。中國有色金屬學(xué)報，2016，26（4）：807-820。

[2]聞雷，陳靜，羅洪澤，等。石墨烯在柔性鋰離子電池中的應(yīng)用及前景[J]。科學(xué)通報，2015，60（7）：630-644。

[3]朱碧玉，倪江鋒，王海波，等。石墨烯在鋰離子電池中應(yīng)用的研究進(jìn)展[J]。電源技術(shù)，2013，37（5）：860-862。

作者簡介

郭娜娜（1988.11-）；性別：女，籍貫：甘肅慶陽人，學(xué)歷：碩士，畢業(yè)于武漢科技大學(xué)；現(xiàn)有職稱：初級工程師；研究方向：動力電池；

（作者單位：江西安馳新能源科技有限公司）