石墨烯在鋰離子電池負(fù)極材料中的應(yīng)用

江滔

摘要：在傳統(tǒng)化石能源逐漸短缺的歷史發(fā)展中，使可再生新型能源和能量存儲(chǔ)技術(shù)成為世界不可避免的發(fā)展趨勢(shì)。鋰電子電池作為現(xiàn)如今一種非常具有開發(fā)潛力的電化學(xué)儲(chǔ)存方式，一方面在民間市場(chǎng)，另一方面在國防領(lǐng)域的表現(xiàn)，它都是一種非常具有發(fā)展?jié)摿Φ哪芰績(jī)?chǔ)存方式?？梢院敛槐苤M的說，鋰離子電池的發(fā)展，已經(jīng)初步的影響了綜合國力，那么怎樣才能讓石墨烯在鋰離子電池的發(fā)展中成為超級(jí)材料，首先我們要了解鋰離子電池的性能主要受制于什么？

關(guān)鍵詞：石墨烯;新能源;鋰離子電池;負(fù)極材料

1 ?什么是石墨烯

首先我們得了解，什么是石墨烯呢？石墨烯長(zhǎng)什么樣？權(quán)威的科學(xué)解釋石墨烯是由單層碳原子排列成六邊形晶格而形成的一種異形體。自然界中有許多它的“同胞兄弟”如石墨、鉆石、碳、碳納米管。這些都是碳的其他異形體。石墨烯他的化學(xué)結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，作為一種新型的材料，將會(huì)變得極其容易獲得，不會(huì)像之前難以獲得的材料那么昂貴，這將會(huì)使價(jià)格變得低廉，也讓人們更容易所接受。再說它的空間結(jié)構(gòu)，它的形狀是一種類似足球比賽中守門員的球網(wǎng)，是一種薄膜，是一種六角型晶格平面的薄膜，是一種只有一個(gè)碳原子的厚度二維材料，是一種新型的、堅(jiān)固的二維材料，這就區(qū)別了和三維材料的區(qū)別，在后面我們會(huì)說出石墨烯也是可以由二維材料變成三維材料的。

縱觀近些年來有關(guān)石墨烯的研究，實(shí)驗(yàn)制備和應(yīng)用等方面都成為國內(nèi)以及國外有關(guān)專家研究的熱點(diǎn)。石墨烯具有一些不同于其他材料的一些特性，他是最堅(jiān)固的材料，它能傳導(dǎo)熱量和電能，它幾乎是透明的。所以相較于之前用于儲(chǔ)能材料，和用于光電催化方面的材料，石墨烯具有著一些得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，也意味這在這些方面上，石墨烯將會(huì)得到更為廣泛的使用。

鋰離子電池是從古至今比能量最高的可多次使用的電池，具有良好的綜合性，所以它成為了現(xiàn)如今電子設(shè)備和動(dòng)力電源的首選。因?yàn)橛惺┑陌l(fā)現(xiàn)，所以才為鋰離子電池有更高性能的突破帶來了無限的可能，所以鋰離子電池材料的研究才為成為新時(shí)代的寵兒。

雖然石墨烯材料的優(yōu)點(diǎn)確實(shí)很多，但是它的缺點(diǎn)也是極其的明顯，首先便是，作為一種可多次循環(huán)使用的材料，它具有以下缺陷：目前石墨稀還沒達(dá)到實(shí)用化階段，離大批量生產(chǎn)還有很長(zhǎng)的路要走。工藝特性不兼容。首次循環(huán)庫倉效率低充放電的要求比較高然后它多次循環(huán)之后的穩(wěn)定性較差等缺陷。所以才導(dǎo)致了他暫時(shí)還不能取代目前商用中使用的炭材料。

2 ?關(guān)于在鋰離子電池負(fù)極材料中石墨烯的應(yīng)用

石墨烯，當(dāng)它作為一種新型材料時(shí)，被眾多科學(xué)人員研究，作為鋰電池負(fù)極材料使用時(shí)，它具有磷酸鐵鋰、三元鋰等材料不具備的優(yōu)點(diǎn)，它所能產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)效果，討論一下，首先以石墨烯來做負(fù)極材料得前提不變。并且一直使用50mAg的電流密度充放電，我們來觀察第一次和多次實(shí)驗(yàn)得結(jié)果。首先還是以50mAg來充放電，我們得出了石墨烯作為電極材料第一次的是540mAhg，這在最初看起來也是一個(gè)較大得數(shù)值了。但是在第二次開始，甚至是多次之后，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)每一次的充放電都會(huì)使電池的容量發(fā)生衰減。這是為什么呢？研究人員通過多次變量和改變石墨烯本身的排列方式來進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)了在多次充放過程中，容量的變化和石墨烯本身的排列息息相關(guān)。換種方式，當(dāng)我們使用熱膨脹氧化石墨法制作方法來制作石墨烯，并繼續(xù)用于鋰離子電池負(fù)極材料的制作。實(shí)驗(yàn)中用1mMg的電流密度來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其比容量既然能驚喜的達(dá)到554mAh/g。顯然這樣的數(shù)據(jù)還不是極限，還有更多的可能。后來研究人員發(fā)現(xiàn)，C6以及碳納米管便是極限上升的重要條件。在添加了這兩樣物質(zhì)以后，其比容量居然可以達(dá)到更為驚人的784mAhg。盡管如此，但是衰減率的問題還是沒有得到有效的解決，在經(jīng)過研究人員的多次實(shí)驗(yàn)之后，得出來一個(gè)結(jié)論：石墨烯材料做出來的鋰電池?fù)碛兄艽蟮娜萘浚貏e是用于純電動(dòng)汽車電池中，能夠增加行駛的里程數(shù)，但是當(dāng)石墨烯作為鋰電池負(fù)極材料時(shí)與其它材料一樣，經(jīng)過多次循環(huán)利用之后容量將會(huì)嚴(yán)重衰減，在多次充放電以后，會(huì)衰減的越來越嚴(yán)重。所以我們得出來一個(gè)結(jié)論，石墨烯作為單獨(dú)的電極材料來使用將會(huì)大大降低鋰電池得壽命。但是石墨烯本身的特性，也足以讓他成為最好負(fù)極材料得寵兒。

3 ?石墨烯基復(fù)合材料在鋰電池負(fù)極材料中的應(yīng)用

現(xiàn)如今，因?yàn)殇囯姵氐陌l(fā)展，以石墨烯基復(fù)合材料為基本的研究有很多研究人員在探討，在這些研究之中，主要分為兩類，一種是用金屬另外一種是用金屬氧化物來與石墨烯分別進(jìn)行復(fù)合實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)在不同情況下都提高了鋰電池的性能。不僅僅如此，石墨烯也是對(duì)硅作為負(fù)極進(jìn)行改性的關(guān)鍵。這是為什么呢？首先我們得知道一種效應(yīng)，名曰體積效應(yīng)，他是儲(chǔ)能過程中重要得一環(huán)，如果能夠有更大的體積，便能緩解一些情況，反之則不然。因?yàn)槭┆?dú)特的形狀，所以能夠提供更為穩(wěn)定的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，得到更大的儲(chǔ)能體積，所以這邊克服了體積效應(yīng)，從而加強(qiáng)了儲(chǔ)鋰的空間與性能。當(dāng)將納米硅顆粒充分的分散在石墨烯上進(jìn)行演變時(shí)，然后再熱處理從而得到硅-石墨烯材料。通過電化學(xué)測(cè)試的實(shí)驗(yàn)得到，該復(fù)合材料經(jīng)過循環(huán)之后，鋰電池的容量將大于2200mA·h/g。然后再次經(jīng)過循環(huán)，容量將大于1500mA·h/g。每個(gè)循環(huán)之后，我們會(huì)驚喜的發(fā)現(xiàn)，這些衰減率都將會(huì)小于0.59。之所以這樣得出來的材料能夠擁有這么優(yōu)異的性能，是因?yàn)榧{米硅顆粒的分布有一些特點(diǎn)。在我們的觀察之下，會(huì)發(fā)現(xiàn)這些納米硅顆粒在石墨烯層之間的分布極為廣泛。

著名的高鵬飛，他通過噴霧干燥的技術(shù)，使二維的石墨烯的加工，成為了擁有三維結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)也得到了一種包裏型硅碳復(fù)合材料。在通過實(shí)驗(yàn)之后得出了結(jié)論，它具有不低于1525mA·h/g的比容量。而且在多次的循環(huán)實(shí)驗(yàn)之后，得出這樣得符合材料的韌性也是非常好的。當(dāng)通過噴霧干燥法來得到硅石墨烯復(fù)合料時(shí)，再通過電化學(xué)來進(jìn)行測(cè)試，首次充放電容量的數(shù)據(jù)為別為2174mA·h/g，1252mA·h/g。因?yàn)檫@樣過噴霧干燥法得到了石墨烯材料，他是浴花狀結(jié)構(gòu)的。石墨烯自由空間來緩解放電過程中硅的體積變化的大小，并且預(yù)防了硅顆粒之間的聚集。

4 ?石墨烯金屬氧化物復(fù)合材料在鋰電池負(fù)極材料中的應(yīng)用

根據(jù)當(dāng)前的研究，當(dāng)我們使用石墨烯和金屬氧化物進(jìn)行作用的時(shí)候，可以得到一種性能極其優(yōu)越的復(fù)合形的電極材料。再因?yàn)榻饘傺趸锉旧砭哂械奶攸c(diǎn)，這便使得這樣的材料，在儲(chǔ)存電量時(shí)，能夠有很高的密度。所以這時(shí)我們?cè)賹⒔饘傺趸镱w粒，融于石墨烯片層中，確保離子傳輸通道的暢通。

還有一種方法，那就是氣液界面合成法，因?yàn)镾nO2納米顆粒在石墨烯表面時(shí)，在充放電過程中基本不能凝聚的原因。所以當(dāng)我們用這種方法來制作的石墨烯這個(gè)復(fù)合材料的時(shí)候，再通過之前的循環(huán)充放的方法，來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，會(huì)發(fā)現(xiàn)這樣的復(fù)合材料在100次循環(huán)甚至是200循環(huán)之后，依然可以保持1400mA·h/g以上的可逆容量。通過多次的實(shí)驗(yàn)還得出了另外一種方法，那便是噴霧干燥法。將石墨烯復(fù)合材料的立體結(jié)構(gòu)變成獨(dú)特的Fe2O3微觀立體結(jié)構(gòu)。這樣的材料它的可逆容量高達(dá)驚人的900mA·h/g。石墨烯不僅提供了充分的自由空間來緩解Fe2O3的體積效應(yīng)，還從材料內(nèi)部電子及離子來進(jìn)行提高傳輸能力，以及石墨烯復(fù)合材料的循環(huán)穩(wěn)定性。

綜上所述，石墨烯制作的材料不僅僅擁有完美電化學(xué)性能，當(dāng)他作為一種復(fù)合材料的時(shí)候，它還具有以下特點(diǎn)：引入物不僅能夠均勻地分散在石墨烯片層之中，并且還能將石墨烯引入物緊密包覆起來。這樣反應(yīng)出現(xiàn)的結(jié)果，首先是提供了自由的空間來解決充放過程中的膨脹作用，再然后便是有效緩解石墨烯緩沖循環(huán)過程中的體積效應(yīng)，同時(shí)還能使引入物發(fā)揮高容量的優(yōu)勢(shì)。目前石墨烯作為鋰離子電池的負(fù)極材料的這項(xiàng)研究，在全世界范圍內(nèi)都取得了一定成果，但是為了能夠在以后滿足商業(yè)中更高的要求。石墨烯基電極材料的發(fā)展需要注意以下幾方面：①石墨烯復(fù)合材料在結(jié)構(gòu);②石墨烯復(fù)合材料尺寸;③復(fù)合材料孔徑，烯復(fù)合材料制作工藝。只有大規(guī)模的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，才能滿足日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求。

5 ?結(jié)束語

石墨烯作為鋰離子電池的材料擁有很多的優(yōu)點(diǎn)，它為高性能負(fù)極材料性能的加強(qiáng)提供了無限的可能，但同時(shí)它也有著不可忽視的缺點(diǎn)，這為如何才能完善，從而對(duì)得到一種完美的適合市場(chǎng)需求的石墨烯的制備技術(shù)，提供了一個(gè)基本大致的方向。如何制備出性能優(yōu)異，符合人們需求，符合潮流所需的石墨烯基復(fù)合材料，成為了石墨烯當(dāng)前研究的重點(diǎn)。

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基金項(xiàng)目：安徽省自然科學(xué)項(xiàng)目：石墨烯修飾納微米材料在鋰離子電池中的應(yīng)用KJ2018A0830。