石墨烯備受關(guān)注 在鋰電領(lǐng)域?qū)⑷绾未笳谷_？

“綠色”的能量儲運體系已成為當前能源領(lǐng)域的關(guān)注熱點，鋰電作為其中重要的一個分支，其性能的提升是科研工作者關(guān)注的重點。隨著研究的不斷發(fā)展，高性能鋰電電極材料層出不窮。實際應(yīng)用中，所制備材料性能無法完全發(fā)揮是制約其實現(xiàn)高能量密度、高功率密度的關(guān)鍵。石墨烯的高導(dǎo)電性、高導(dǎo)熱性、高比表面積、等諸多優(yōu)良特性，一定程度上對解決該問題有著非常重要的理論和工程價值。石墨烯在用作鋰離子電池正負極材料方面具有以下優(yōu)勢

1) 石墨烯具有超大的比表面積(2630 m2/g)，可降低電池極化，從而減少因極化造成的能量損失。

2) 石墨烯具有優(yōu)良的導(dǎo)電和導(dǎo)熱特性，即具備良好的電子傳輸通道和穩(wěn)定性。

3) 石墨烯片層的尺度在微納米量級，遠小于體相石墨的，這使得Li+在石墨烯片層之間的擴散路徑縮短；片層間距的增大也有利于Li+的擴散傳輸，有利于鋰離子電池功率性能的提高。

下文主要總結(jié)了石墨烯在鋰電正負極電極材料中的應(yīng)用及其優(yōu)勢。

1. 石墨烯在鋰離子電池負極材料中的應(yīng)用

石墨烯直接作為鋰離子電池負極材料

石墨烯直接儲鋰的優(yōu)點1) 高比容量鋰離子在石墨烯中具有非化學(xué)計量比的嵌入?脫嵌，比容量可達700~2000 mAh/g；2) 高充放電速率多層石墨烯材料的層間距離要明顯大于石墨的層間距，更有利于鋰離子的快速嵌入和脫嵌。大多研究也表明，石墨烯負極的容量有540 mA·h/g左右，但由于其表面大量的含氧基團充放電過程中分解或與Li+發(fā)生反應(yīng)造成電池容量的衰減，其倍率性能也受到較大影響。

雜原子的摻雜帶來的缺陷會改變石墨烯負極材料的表面形貌，進而改善電極-電解液之間的潤濕性，縮短電極內(nèi)部電子傳遞的距離，提高Li+在電極材料中的擴散傳遞速度，從而提高電極材料的導(dǎo)電性和熱穩(wěn)定性。例如摻雜的N、B原子可使石墨烯的結(jié)構(gòu)發(fā)生形變（圖1），在50 mA/g倍率下充放電，容量為1540 mAh/g，且摻雜N、B 后的石墨烯材料可以在較短的時間內(nèi)進行快速充放電，在快速充放電倍率為25A/g下，電池充滿時間為30s。

圖1 N、B摻雜在石墨烯晶格中的成鍵結(jié)構(gòu)示意圖

但石墨烯材料直接作為電池負極仍然存在一些缺點，包括1)制備的單層石墨烯片層極易堆積，比表面積的減少使其喪失了部分高儲鋰空間；2)首次庫倫效率低，一般低于 70%。由于大比表面積和豐富的官能團，循環(huán)過程中電解質(zhì)會在石墨烯表面發(fā)生分解，形成SEI 膜；同時，碳材料表面殘余的含氧基團與鋰離子發(fā)生不可逆副反應(yīng)，造成可逆容量的進一步下降；3)初期容量衰減快；4)電壓平臺及電壓滯后。因此，為解決存在的這一系列問題，將石墨烯和其他材料進行復(fù)合制作成石墨烯基復(fù)合負極材料成為現(xiàn)在鋰電池研究的熱點和鋰電負極材料發(fā)展的一個方向。

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