石墨烯锂离子电池的应用研究

锂离子电池具有开路电压高 能量密度大 使用寿命长 无记忆效应 无污染以及自放电率小等优点， 成为近年来研究发展迅速的新一代二次电池之一。

 

石墨烯是一种单原子层厚度的石墨材料， 具有独特的二维结构和优异的电学 力学以及热学性能 同时它也是一种具有良好应用前景的锂离子电池电极材料 电极材料的微观结构对其性能有很大影响， 利用石墨烯获得具有特殊形貌和微观结构的电极材料， 能有效改善材料的各项电化学性能 。

 

 

石墨烯具有大理论比表面积( 2 600 m2/ g)和蜂窝状空穴结构， 因而有较高的储锂能力 此外， 材料本身的高电子迁移率 ( 15 000 cm2/ ( V s) )，突出的导热性能( 3 000 W/ ( m K) )， 良好的化学稳定性以及优异的力学性能( 拉伸模量 1. 01 TPa)， 使其作为复合电极材料的基体更具有突出优势。目前制备石墨烯的方法主要有 4 种: 微机械力剥离法 化学气相沉积法 化学还原氧化石墨法和热膨胀法。微机械力剥离法和化学气相沉积法可以获得有良好微观形貌的单层石墨烯， 但方法复杂，且仅能获得少量石墨烯， 不适合石墨烯的大规模生产和应用。化学还原法是将氧化石墨烯通过水合肼或者其他还原剂还原制备石墨烯薄片的方法 。氧化石墨烯是 通 过 Hummers 法，Brodie 法或 者Staudenmaie 法从天然石墨剥离获得 这种方法。这种方法简单， 能大量制备石墨烯， 但由于过程中引入了含氧基团， 最终石墨烯含有的残留含氧基团影响了其电化学性能， 导致石墨烯在溶剂中分散性能变差， 发生不可逆团聚， 造成石墨烯层厚度增加。通过热膨胀法剥离氧化石墨也能获得形貌规整的单层石墨烯， 但反应条件苛刻: 为达到石墨烯片层完全剥离为单层/少层结构， 通常需要快速升温至1000℃，这样的反应条件能耗大且不易控制，而改进后的低温高真空的热膨胀剥离法，能在200℃高真空条件下剥离得到单片层石墨烯。

 

 

石墨烯具有特殊的原子结构和电子结构，作为锂离子电池的电极主要有以下几个特点：石墨烯具有优良的导电和导热特性,具有良好的电子传输通道, 而良好的导热性能也确保了其在使用中的稳定性；可配合模温机操作使用，加热器是指通过模温机加热导热油，将热能间接传递给物料，从而控制反应物料温度的加热设备，其高使用温度可达350℃。特点是控温精度高，导热速度快。

 

石墨烯作为锂离子电池电极材料的研究已取得较丰富的成果 但为了能够满足在实际运用中对电池的循环寿命 快速大电流充放电 高比容量等需求，应该加强以下几个方面的研究:

 

（1）为材料的商品化大规模生产应用， 需注重石墨烯的制备工艺的低成本化， 设计大规模生产石墨烯的制备工艺；

 

（2）提高石墨烯及其复合电极材料的高倍率性能和循环寿命，使其能满足实际应用需求；

 

（3）深入研究石墨烯的储锂机理及其复合材料中的微观形貌与电化学性能之间的关系， 深入研究石墨烯的尺寸 结构 缺陷以及孔径等对电化学性能的影响。