关于石墨烯在锂离子电池中的应用

.1 石墨烯在正极材料中的应用

 

对于锂离子电池，可应用的正极材料应当满足可逆容量大、电位高且稳定、无毒害、制作成本低等特点。目前较为常见的锂离子电池正极材料多为磷酸铁锂（LiFePO4）材料，其具有高比容量、无毒、生产成本低等特点，但LiFePO4的电导率差、锂离子迁移率较低。若将LiFePO4材料与石墨烯复合，理论上可以改善其导电能力，提高倍率性能。由于石墨烯材料的特殊性，在正极方面对石墨烯材料的研究相对较少。研究表明，用水热法将石墨烯直接覆盖在LiFePO4表面上制成复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结构的堆叠或破坏。Wei等研究发现，石墨烯将LiFePO4半包裹后形成的材料可以提高LiFePO4材料的导电性能，但将其全包裹后离子传输效率下降，并推测可能是因为锂离子无法通过石墨烯的六元环结构。有研究人员将LiFePO4纳米颗粒与氧化石墨进行超声混合，制得了微观结构更加工整的LiFePO4/石墨烯复合材料。该材料经过进一步的常规碳包覆后嵌锂比容量大大提升，可在60C高倍率条件下仍然维持在70mAh/g左右。

 

2 石墨烯在负极材料中的应用

 

石墨烯直接作为锂离子电池的负极材料，其比容量为540mAh/g;由于石墨烯具有较大的比表面积，科学家将石墨烯纳米片用于锂电负极材料时刻提高其可逆容量，在多次循环后其可逆容量损耗率较低。另外，石墨烯与金属氧化物、合金材料复合后可用作锂离子电池的负极材料，例如锡基、硅基氧化物等材料。更具纳米材料自身特性，利用石墨烯材料的导电性能和结构特点加以改造，将会提高锂离子传输速率，改善锂离子电池的倍率性能，以弥足原材料的不足和诸多缺陷，降低成本费用。

 

3 石墨烯在锂离子电池中的其他应用

 

鉴于其优异的导电性能，石墨烯材料可以作为导电添加剂优化电池的电导率。Han等将石墨烯材料加入Si纳米材料中，其改性效果优于一般的导电添加剂如天然石墨等。其首次循环可逆比容量高达2347mAh/g，循环20次后仍可达2041mAh/g；Song等将石墨烯作为导电添加剂加入到石墨材料当中，优化了石墨材料的导电性能。其机理是石墨烯材料以层状结构搭建在石墨之间，类似于构建起电子通过的“桥梁”。这种材料与石墨接触面积大，避免在多次循环后类似乙炔黑颗粒的体积变化、与石墨材料接触面积减小而导致的性能下降。此外，石墨烯还可用于LiFePO4纳米颗粒导电性能的提升。

 

此外，石墨烯由于其出色的力学强度和韧性在制备可变形性强的锂离子电池方面也发挥了独特作用。He等将对苯二甲酸乙二酯表面涂上石墨烯薄膜形成的复合材料具有可观的柔性，并且减小了材料的密度，优化了其性能；Cheng等则将石墨烯材料真空抽滤附着在滤纸表面，制得了力学性质和导电性能都较为优越的石墨烯/纤维素复合材料。以上所述及其他柔性锂离子电池材料多可用于提升锂离子电池的环境适应能力等用途中，随着研究发展，这类柔性电极材料还有望应用于可穿戴式电子设备当中。