石墨烯材料在鋰離子電池中的應(yīng)用

江嬋

摘 要：伴隨著科技的發(fā)展和移動終端的全面普及，電動交通工具的廣泛推廣和資源的存儲利用等現(xiàn)代科技都與電池技術(shù)息息相關(guān)。鋰離子電池是作為儲能領(lǐng)域的主流技術(shù)，有著極高的發(fā)展前景。石墨烯憑借其自身的高電導(dǎo)率、超大比表面積和高化學(xué)穩(wěn)定性等獨特、優(yōu)異的物理和化學(xué)特性而在鋰離子電池中占據(jù)重要地位，被廣泛使用于鋰離子電池的正負(fù)極材料中。

關(guān)鍵詞：石墨烯;鋰離子電池;正負(fù)極材料;應(yīng)用

一、鋰電子電池概述

目前鋰離子電池在中國各類儲能技術(shù)裝置規(guī)模中占到了66%的比例，作為國內(nèi)儲能市場中的主流技術(shù)，鋰離子電池在移動終端、電動汽車等領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用前景。能量密度較高、可逆容量較大、開放電壓大、使用壽命較長等是鋰離子電池所具有的獨特特點，這使它具有了其他電池不可比擬的優(yōu)勢。鋰離子電池包括四大主要部件：正負(fù)電極，電解質(zhì)和隔膜。傳統(tǒng)的鋰離子電池導(dǎo)電添加劑主要有乙炔黑和炭黑等物質(zhì)組成，通過點對點的方式，導(dǎo)電添加劑與正負(fù)極活性材料粒子相互接觸，由此帶來了較大的熱阻抗，高溫給鋰電池組帶來了極大的安全隱患。因此，對于可以提供高效導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的新型電池導(dǎo)電添加劑材料的需求就變得極為迫切，新型材料不僅能降低添加量，也能大幅提升正負(fù)極電極的導(dǎo)電能力，降低電池成本，同時也可改善鋰離子電池的倍率和充放電循環(huán)性能。

二、石墨烯概述

作為一種具有平面二維結(jié)構(gòu)的納米材料，石墨烯由碳原子組成，呈現(xiàn)六角形、蜂巢狀，由于其厚度僅有一個碳原子的直徑大小，因此具備著多種獨特的特性，例如其具有極好的導(dǎo)電性能，是目前被人類發(fā)現(xiàn)的電阻率最小的材料。此外，石墨烯還具有出色的導(dǎo)熱性能，其單層材料理論室溫下熱傳導(dǎo)率極高，石墨烯電池在工作時易產(chǎn)生大量熱量，高溫易導(dǎo)致元件損壞甚至引發(fā)火災(zāi)等位線，而石墨烯具有的導(dǎo)熱性質(zhì)可以被用于電池散熱研究中，這保證了石墨烯材料在鋰離子電池發(fā)展前景中占據(jù)著重要的地位。

三、石墨烯在鋰離子電池中的應(yīng)用

（一）石墨烯在正極材料中的應(yīng)用

目前常用的鋰離子正極材料大多都是半導(dǎo)體，例如目前較為常見的鋰離子電池正極材料磷酸鐵鋰（LiFeP04）。這些半導(dǎo)體材料都應(yīng)滿足較大可逆容量、電力儲存能量高并具一定穩(wěn)定性、綠色環(huán)保、對環(huán)境無危害以及制作成本低廉等特點，但目前使用的LiFeP04還存在著一些缺點，例如存在電導(dǎo)率較差，鋰離子遷移率較低等，無法全面推廣使用。因此，若結(jié)合現(xiàn)代技術(shù)，將LiFeP04材料與石墨烯復(fù)合，則可以提高其導(dǎo)電能力，使倍率性能得以改善。

（二）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，降低成本費用。

（三）石墨烯在鋰離子電池中的其他應(yīng)用

如上文所述，石墨烯具有非常出色的導(dǎo)電性能，將其作為導(dǎo)電添加劑時，將會大幅提升電池的導(dǎo)電率。有調(diào)查研究表明，在Si納米材料中添加石墨烯后形成的復(fù)合材料的性能比一般的導(dǎo)電添加劑如天然石墨等更為優(yōu)越，且其循環(huán)可逆比容量大幅提升，多次循環(huán)后損耗極小，降低了成本。而當(dāng)石墨烯材料作為導(dǎo)電添加劑加入到石墨材料中也會優(yōu)化石墨材料自身的導(dǎo)電性能。

此外，當(dāng)在苯二甲酸乙二酯表面涂上石墨烯薄膜時，由于石墨烯自身具有的力學(xué)強度和韌性，使該復(fù)合材料具有極強的柔性和較低的密度，使材料性能得以優(yōu)化，在制備可變性強的鋰離子電池中具有廣闊前景。目前科學(xué)技術(shù)正在不斷發(fā)展，終有一天添加有石墨烯材料的復(fù)合型柔性電極材料應(yīng)用于可穿戴式電子設(shè)備中指日可待。

四、石墨烯鋰離子電池的應(yīng)用前景

石墨烯和石墨烯復(fù)合電極在鋰電子電池的電壓特性、內(nèi)阻、充放電性能、循環(huán)性能、賠率性能、比容量等重要化學(xué)性能方面表現(xiàn)出了其難以替代的優(yōu)越性。隨著石墨烯復(fù)合材料在鋰離子電池中的廣泛應(yīng)用，其獨特的優(yōu)勢使其在鋰離子電池中成為被關(guān)注的焦點，并具有廣闊的前景。但是，在現(xiàn)階段，石墨烯電極材料的開發(fā)和使用還處于初級階段，許多問題還未得到解決。近年來對于石墨烯電極材料性能方面的優(yōu)化研究極為重視，主要集中于以下幾個方面：

（1）提高電極材料中電子傳遞速率和脫嵌鋰離子速率，優(yōu)化鋰離子電池自身性能，實現(xiàn)快速充電;

（2）提高電池可逆比容量，改善電池充放電性能，延長電池壽命;

（3）不斷創(chuàng)新、開展新型生產(chǎn)工藝，使產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)得以優(yōu)化，從根本上降低石墨烯電極材料的生產(chǎn)成本，提高石墨烯產(chǎn)量，實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)，加大對其的推廣力度;

（4）化學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定的復(fù)合型材料往往具有綠色環(huán)保無污染的特點，要保持生態(tài)健康、創(chuàng)造綠色環(huán)境，就要大力開發(fā)復(fù)合型材料，降低電池材料對自然環(huán)境的污染，并防止其可能產(chǎn)生的安全隱患，實現(xiàn)利潤與環(huán)境保護的雙贏。

總的來說，由于石墨烯材料自身的特性，決定了其在鋰離子電池的研究和發(fā)展中具有十分重要而廣泛的價值。相信在未來，經(jīng)過世界各個國家的科研人員的共同努力研究和探索，石墨烯材料一定能在多個領(lǐng)域發(fā)揮其獨特的價值，造福人類。

參考文獻(xiàn)：

[1]柴源.石墨烯材料在鋰離子電池中的應(yīng)用與前景[J].當(dāng)代化工研究，2019（02）：136-138.

[2]智林杰，方巖，康飛宇.用于鋰離子電池的石墨烯材料——儲能特性及前景展望[J].新型炭材料，2011，26（01）：5-8.

[3]劉玲玲，張紅梅.石墨烯在鋰離子電池中的應(yīng)用[J].當(dāng)代化工研究，2018（06）：65-66.

[4]李嘉喆.新型石墨烯材料助力鋰離子電池升級[J].化工管理，2018（06）：164.