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石墨烯材料在锂离子电池中的应用

摘要:伴随着科技的发展和移动终端的全面普及,电动交通工具的广泛推广和资源的存储利用等现代科技都与电池技术息息相关。锂离子电池是作为储能领域的主流技术,有着极高的发展前景。石墨烯凭借其自身的高电导率、超大比表面积和高化学稳定性等独特、优异的物理和化学特性而在锂离子电池中占据重要地位,被广泛使用于锂离子电池的正负极材料中。

关键词:石墨烯材料;锂离子电池;应用

中图分类号:TM912 文献标识码:A

1 引言

锂离子电池具有能量密度高、可逆容量大、开路电压大、使用寿命长等特点。随着电子信息时代的发展,锂离子电池逐渐在二次电池开发应用领域成为人们关注和研究的主要对象。在对锂离子电池电极材料的研究过程中,一些碳元素的同素异形体及混合物可以作为导电性能优良的稳定材料,常被用于开发新型锂离子电池负极材料的研究。

2 锂电子电池概述

目前锂离子电池在中国各类储能技术装置规模中占到了66%的比例,作为国内储能市场中的主流技术,锂离子电池在移动终端、电动汽车等领域也有着广泛的应用前景。能量密度较高、可逆容量较大、开放电压大、使用寿命较长等是锂离子电池所具有的独特特点,这使它具有了其他电池不可比拟的优势。锂离子电池包括四大主要部件:正负电极,电解质和隔膜。传统的锂离子电池导电添加剂主要有乙炔黑和炭黑等物质组成,通过点对点的方式,导电添加剂与正负极活性材料粒子相互接触,由此带来了较大的热阻抗,高温给锂电池组带来了极大的安全隐患。因此,对于可以提供高效导电网络的新型电池导电添加剂材料的需求就变得极为迫切,新型材料不仅能降低添加量,也能大幅提升正负极电极的导电能力,降低电池成本,同时也可改善锂离子电池的倍率和充放电循环性能。

3 石墨烯在锂离子电池中的应用

3.1 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。

3.2 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。

3.3 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。

4 结束语

总而言之,石墨烯材料在锂离子电池方面具有十分广泛的潜在研究价值,而对于其性能的充分利用,仍然需要各个国家各个层面的研究人员共同努力开发。相信在不久的将来,开发技术相对成熟的石墨烯材料锂离子电池可以实现商业化生产,不断地进入人类的生产生活中,从而真正意义上的造福世界。

参考文献:

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