石墨烯能用在正极材料吗？正极材料应该具有几个特点？

石墨烯能用在正极材料吗？

正极材料应该具有以下几个特点：

1、放电反应时应具有比较大的负的吉布斯自由能（高放电电压）。

2、主体结构应具有较低的分子量和能够嵌入大量锂的能力（高能量容量）。

3、主体结构应有较高的化学扩散系数（高倍率性能）。

4、在嵌入和脱嵌时材料的结构应该尽可能的不发生变化（长循环寿命）。

5、材料应该是化学性能稳定的，无毒并且成本较低的。（低成本）

6、材料在工艺处理时容易。（加工容易）

利用功能涂层对电池导电基材进行表面处理是项习知技术，覆碳铝箔/铜箔就是将分散好的纳米导电石墨和碳包覆粒，均匀、细腻地涂覆在铝箔/铜箔上，通常正极基材是铝箔，负极基材是铜箔。以聚合物锂电池为例，正极涂层是钴酸锂（或其他正极材料）＋ PVDF + 导电剂；负极涂层是石墨（或其它负极材料）＋ SBR + 导电剂。在电池充放电的过程中，正极材料不但要作为锂源，提供在电池内部正负两极嵌锂材料间往复嵌脱所需要的锂，还要负担电池负极材料表面形成固液界面膜（SEI膜）所消耗的锂。因此，理想的正极材料需具备以下特点：电位高、比容量高、密度大（包含压实密度和振实密度）、安全性好、倍率性能佳和长寿命等。能满足以上要求的材料根据其结构特点主要分为三种，即层状结构材料LiMO2（M=Co、Ni、Mn）；具有尖晶石结构的锰酸锂材料（LiMn2O4）；具有橄榄石结构的LiMPO4（M=Fe、Mn、Co、Ni）。近年来，三元及锂硫材料也受到了越来越多的关注。

正极材料不仅作为电极材料参与电化学反应，更是锂离子的来源，会影响锂离子的迁移速率和电子迁移速率，从而影响锂离子电池的低温速率。传统的正极材料都是高价态金属氧化物，烧的时候都是氧化气氛，碳掺进去一热处理，要么就烧完了，要么金属没氧化到高价，就会出现与Li的混排，进而影响性能。通过石墨烯包覆磷酸铁锂作为正极材料也有很多人在尝试，通常抱怨有二點，一是石墨烯还是碳，石墨烯储锂电位太低，它的储锂平台在零点几伏，在正极材料中一般电极电位都在 3.4V 以上，这时石墨烯没有储锂性能，石墨烯只能起到导电作用。另外，因为采用石墨烯包覆正极材料，一般来说工艺不成熟导致性能都不会太好，所以很多人就认为石墨烯不适合用在正极上。但实际上，李喜飞教授在五氧化二钒的表面均匀地包覆一层石墨烯，就可以很好地提高比容量和循环性能。为什么石墨烯能给我们带来很好的循环性能，这里面很大的一点就是 Rct（电荷转移电阻）大大地降低了。在这个基础之上，他也更换了二氧化钒体系，也得到了类似的结果。后来对这个方法进行了很大的扩展，比如说把这个方法扩展在二氧化锡的表面等，得出结论是：石墨烯可以通过适当工艺很均匀地把这些材料（不管是管或球状，还是立体，都能很均匀包裹住），且石墨烯的含量基本是在 1%-2%。这是因为石墨烯强的导电性，减少了电极活性材料与电解质之间的界面电阻，有利于 Li + 传导；同时，石墨烯片层包覆在电极材料表面，抑制了金属氧化物的溶解和相转变，保持了充放电过程中电极材料的结构稳定。

尖晶石型的 LiMn2O4 以及橄榄石型的 LiFePO4 是目前实际应用较为广泛的锂电池正极材料。但这类材料的电子传导性差、Li+ 迁移过慢、大倍率充放电下电极与电解液间的电阻率大。一些研究中，引入石墨烯材料为解决这些问题带来了可行的途径。使用石墨烯改性的 LiFePO4和 LiMn2O4，电子的传导率和倍率性能有了明显提升。主要原因是石墨烯材料的使用大大缩短了锂离子在正极材料中的扩散路径，同时复合材料内部的高空隙率也为锂离子提供了大量的可嵌入空间，储锂容量和能量密度得到提升。例如，碳包覆 LiFePO4/石墨烯纳米晶片在 17 mA/g 的电流密度下充放电循环 100 次后，可逆储锂容量为 158 mAh/g，库伦效率高于 97%。在 60C 下充放电后的可逆容量为 83mAh/g，该材料的倍率性能很优异。

结论：

以石墨烯负载正极高价态金属氧化物之技术来提高比容量和循环性能。对于锂电的负极材料而言，过渡金属氧化物或具有前景的Si基材料进行石墨烯掺杂后在比容量、电压特性、内阻、充放电性能、循环性能、倍率性能等电化学性能方面已经表现出了优异的特性。石墨烯基中杂原子掺杂引入了更多的面缺陷，提高石墨烯材料的电导率，使复合材料拥有更优良的性能。锂电正极材料类似，引入石墨烯材料到锂离子电池正极材料系统可以提高正极材料的电导率，保护正极材料避免粉化、崩塌，抑制正极材料的溶解。