石墨烯材料在鋰離子電池和鋰硫電池中的應(yīng)用

來源：存能電氣  日期：2019-09-30 11:13  瀏覽量：次

　　石墨烯材料在鋰離子電池和鋰硫電池中的應(yīng)用。石墨烯作為一種新型納米材料,以其特殊的二維單層延伸碳結(jié)構(gòu)、出色的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、韌性及強(qiáng)度等優(yōu)異性能,在功能材料、能源等多個領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。石墨烯的加入對不同電極材料導(dǎo)電性提高和對鋰離子電池電化學(xué)性能的改善，尤其是對大電流放電性能和倍率性能的改善。

　　石墨烯材料在鋰離子電池中的應(yīng)用

　　鋰離子電池具有能量密度高、可逆容量大、開路電壓大、使用壽命長等特點(diǎn)。在對鋰離子電池電極材料的研究過程中，一些碳元素的同素異形體及混合物可以作為導(dǎo)電性能優(yōu)良的穩(wěn)定材料，常被用于開發(fā)新型鋰離子電池負(fù)極材料的研究。

　　石墨烯由于其高電導(dǎo)率、超大比表面積、高化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)異的物理和化學(xué)特性,在鋰離子電池中進(jìn)行了廣泛研究,石墨烯由于其質(zhì)量輕、導(dǎo)電性好、韌性高等優(yōu)勢成為材料研究層面的一大突破。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。

　　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，并推測可能是因為鋰離子無法通過石墨烯的六元環(huán)結(jié)構(gòu)。

　　目前石墨烯負(fù)極復(fù)合材料主要有：過渡金屬氧化物/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。

　　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)化鋰離子電池的電導(dǎo)率。

　　石墨烯材料在鋰硫電池中的應(yīng)用

　　在傳統(tǒng)鋰離子電池中，正極材料因“插層式”的儲鋰機(jī)制導(dǎo)致其容量普遍較低，無法滿足快速增長的市場需求。因此，新型高能量密度二次電池的探索和研發(fā)成為了儲能領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，其中其中鋰硫電池就是其中之一。

　　為了獲得高性能的鋰硫電池，研究者對硫正極進(jìn)行了多種手段的復(fù)合與改性研究，設(shè)計并制備了一系列具有新穎結(jié)構(gòu)和優(yōu)異性能的復(fù)合硫正極材料。其中，碳材料因其導(dǎo)電性高、結(jié)構(gòu)豐富、比表面積大等優(yōu)勢而得到了廣泛應(yīng)用，而石墨烯這一新型碳材料在提升鋰硫電池性能方面有優(yōu)異表現(xiàn)。

　　石墨烯是優(yōu)異的電子導(dǎo)體，同時具有機(jī)械強(qiáng)度高、比表面積大等優(yōu)點(diǎn)，同時化學(xué)改性的石墨烯及石墨烯衍生物具有一系列能為負(fù)載提供諸多活性位點(diǎn)的表面官能團(tuán)，因此石墨烯在復(fù)合硫正極材料中得到了廣泛的應(yīng)用。一方面，石墨烯材料被用作硫正極的導(dǎo)電載體，彌補(bǔ)硫?qū)щ娦圆畹娜毕?；另一方面，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計與表面改性，石墨烯還能夠抑制多硫化物的溶解。

　　石墨烯鋰電池材料極高的電導(dǎo)率可以彌補(bǔ)硫顆粒導(dǎo)電性差的問題，因此石墨烯材料多被設(shè)計成負(fù)載硫單質(zhì)的導(dǎo)電基體或者導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，比如石墨烯泡沫結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)石墨烯與硫在納米尺度的均勻復(fù)合，能夠為硫提供快速與高效的電子傳輸通道，同時納米孔還能夠有效束縛多硫化物。

　　鋰硫電池由于其理論比容量、比能量高，原料價廉易得，在未來電化學(xué)儲能領(lǐng)域中將極具競爭力，如果通過石墨烯的應(yīng)用能夠改善鋰硫電池實(shí)際容量低、循環(huán)性能差和信率性能不佳等缺點(diǎn)，在不遠(yuǎn)的將來，鋰硫電池的表現(xiàn)可能會給我們帶來更多驚喜。

　　總結(jié)：以上就是石墨烯材料在鋰離子電池和鋰硫電池中的應(yīng)用，與傳統(tǒng)塊體材料相比，石墨烯材料具有優(yōu)越的導(dǎo)電性能、導(dǎo)熱性能、韌性以及極為輕薄的二維結(jié)構(gòu)，使其在鋰離子電池新型電極材料的開發(fā)研究領(lǐng)域具有廣闊的前景。