石墨烯及其復合材料在鋰離子電池負極材料中的應用

吉功濤(江蘇省邗江中學，江蘇揚州225009)

石墨烯及其復合材料在鋰離子電池負極材料中的應用

吉功濤(江蘇省邗江中學，江蘇揚州225009)

石墨烯因其獨特的二維空間網(wǎng)絡結構[1]，有極大的比表面積，良好導電性能，是優(yōu)異的電極材料?？赏ㄟ^與金屬氧化物復合的方法將其機械性能和導電性能的優(yōu)勢最大化。本文對石墨烯的結構、性質、制備方法及其在鋰離子電池負極材料方向上的應用進行了綜述，提出其發(fā)展問題并對其發(fā)展前景進行展望。

石墨烯;鋰離子電池;負極材料

1985年克羅托、科爾和斯莫利發(fā)表關于發(fā)現(xiàn)富勒烯的論文，有關石墨微觀結構的研究進入了人們的視野，此后1991年飯島澄男成功制備碳納米管推動了碳納米管相關研究的發(fā)展，至2004年Geim、Novoseiov用機械剝離法成功制備石墨烯，學術界又掀起了針對石墨烯的研究熱潮[1-2]。如今，石墨烯的應用種類越來越多，研究越來越深入。將石墨烯及其復合材料在鋰離子電池負極中應用是現(xiàn)在一種前景和可行性都非常優(yōu)秀的方案。

1 石墨烯的空間結構及性質

石墨烯是由單層碳原子以sp2雜化形式成鍵形成的具有蜂窩狀六邊形結構的二維原子晶體[2]。它能承載遠大于其自身重量的物體，實驗數(shù)據(jù)顯示1m2石墨烯能承受4kg的重量而其面質量僅為0.77mg[2]足以證明其具有優(yōu)異的機械性能,同時石墨烯理論比表面積達到2630m2/g[3]。以上石墨烯的性質體現(xiàn)其在復合材料領域有很大的應用價值。石墨烯導電性能良好，其導電率能達到106S/m[4]，可作為良好的電極材料。此外，石墨烯還具有優(yōu)良的導熱性以及透光性。其透光率達到97.7%，導熱率為5×103W/mk，理論導熱性能是銅的十倍多[3-5]，足以支持其在光學、熱學領域的應用。

2 石墨烯的制備方法

機械剝離法是獲取石墨烯成本最低的方法，通過對高定向熱解石墨進行反復剝離獲取石墨烯，運用此法得到的石墨烯能滿足實驗室需要，在本征石墨烯研究中應用廣，但是受限于其制備規(guī)模，這種方法很難滿足石墨烯的商業(yè)需求。

濕化學合成法主要通過化學手段在液體條件下分離氧化石墨以獲取石墨烯。原理是對氧化石墨表面含氧官能團進行修飾使之在液體中形成氧化石墨烯膠體，再通過化學還原制得石墨烯。其產(chǎn)品適于應用在膜狀石墨烯復合材料，可以實現(xiàn)大規(guī)模制備。但由于其產(chǎn)品大多存在結構缺陷，此法的應用前景受到限制。

金屬外延生長法和化學氣相沉積法原理類似，都是利用襯底表面碳原子的擴散將碳原子組成石墨烯島片并連接成長。區(qū)別在于前者在高真空條件下且采用昂貴的單晶金屬襯底，后者在普通大氣壓力下且金屬襯底多為多晶箔片。后者較前者大大降低了成本，更符合石墨烯規(guī)模化發(fā)展的趨勢。2009年美國奧斯汀大學采用低壓化學氣相沉積法和固體銅箔襯底成功制備出了石墨烯薄膜，標志著銅成為更具價值的襯底選擇[3]。后期液態(tài)銅和柔性金屬襯底的采用逐步將石墨烯規(guī)模化連續(xù)制備變?yōu)榭赡?。從制備成本，制備?guī)模以及制備速度等多方面考慮當前化學氣相沉積法有望實現(xiàn)石墨烯的規(guī)模化制備。

此外，還有氧化石墨熱膨脹法、有機小分子合成法等[3]石墨烯制備方法。

3 石墨烯在鋰電池負極材料中的直接應用

石墨烯擁有良好的導電性能，可直接作為鋰電池負極材料。首先熱還原石墨烯材料作為鋰離子負極材料時，由于具有大量的微孔缺陷，其可逆儲鋰容量得到提升，它的比容量可以達到540 mA·h/g這個數(shù)值高于商業(yè)化鋰離子電池石墨負極372 mA·h/g的理論比容量，且在摻入富勒烯和碳納米管后數(shù)值更高，遠大于傳統(tǒng)石墨負極材料。其次石墨烯面內結構的層間距大于石墨，有利于鋰離子的嵌入和脫嵌，可以提高電池的充放電速率。但是石墨烯直接作為鋰離子電池負極材料性能不穩(wěn)定，其容量在循環(huán)后會發(fā)生一定程度的衰減，原因是它在高充放電倍率下表面會生成固體電化學界面膜。此外多次循環(huán)后其片層易堆積使之喪失高儲鋰空間的優(yōu)勢。再結合石墨烯成本過高的現(xiàn)狀，其直接作為鋰離子電源負極的方法實不可取[4]。

4 石墨烯復合材料在鋰離子電池負極材料中的應用

石墨烯可與多種材料復合作為鋰離子電池負極，其與硅基，錫基納米顆粒材料復合時能起到互補的作用，采用石墨烯包覆材料能更好的阻止納米顆粒的團聚，在結構上石墨烯的柔性和其納米層之間存在的間隙可在鋰離子電池的充放電過程中有效減緩體積變化。石墨烯能通過增強硅納米材料的電子導電性來提高材料的充放電速率，同時石墨烯在與SnO2復合后能實現(xiàn)降低石墨烯堆積程度的同時保持硅納米顆粒之間的間隙加快鋰離子的擴散來進一步增加電池的充放電速率。在以上多種采用復合材料帶來的優(yōu)勢下這種電極材料的容量獲得了很大的提升，實驗數(shù)據(jù)表明在10Ag-1放電條件下其容量達到640mAh/g。此外通過石墨烯的吸附作用此種電極可有效降低循環(huán)后的容量損失。實驗中經(jīng)過10Ag-1放電條件下200次循環(huán)后其容量保持率達到72%[5]。在電池容量，充放電速率等多方面此種通過過渡金屬氧化物或有機分子納米顆粒采用石墨烯包覆作為鋰離子電池負極的方法性能更優(yōu)秀，是研究的主攻方向。目前因受限于石墨烯產(chǎn)能的不足，其發(fā)展趨勢受到限制。

綜上所述，石墨烯多種性能十分優(yōu)異，在與過渡金屬氧化物復合后作為鋰離子電池負極的應用有著很大的發(fā)展空間。當下石墨烯相關應用研究的勢頭極為迅猛，只是受限于石墨烯規(guī)?；瘶藴驶慨a(chǎn)無法實現(xiàn)的現(xiàn)狀，最終得不到快速有成效的發(fā)展。我認為我們仍需從源頭開始，著手改進石墨烯的制備方法而非一心投入于研究石墨烯相關應用。只有提升石墨烯的產(chǎn)能，實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，才能使石墨烯相關應用的研究和商業(yè)化順利進行。

[1]陳堅，徐暉.石墨烯及其納米復合材料作為鋰離子電池負極的研究進展[J].材料導報A：綜述篇，2017(A),31:5.

[2]胡曉陽.碳納米管和石墨烯的制備及應用研究[D].鄭州大學，2013.

[3]俞會根，趙亮，盛軍.石墨烯及其復合材料在鋰離子電池中的應用[J].電源技術，2014.6,38:6.

[4]曹亮，王安安，艾立華，賈明，劉業(yè)翔.石墨烯在鋰離子電池材料性能優(yōu)化中的應用[J].中國有色金屬學報，2016.4,26:4.

[5]王海騰.基于石墨烯的鋰離子電池負極材料的研究[D].北京交通大學，2013.

姓名：吉功濤出生年月：2000年8月性別：男籍貫：江蘇東臺研究方向：材料學：納米材料--石墨烯。