對石墨烯的制備及其在鋰電池負極材料中的運用探討

顧凱

摘要：石墨烯是一種性能優(yōu)異的新型材料，它的結(jié)構(gòu)獨特，為單原子層二維蜂窩狀。近些年來，針對石墨烯的理論研究、實驗制備以及投入使用等方面的內(nèi)容，已經(jīng)成為專業(yè)領(lǐng)域研究的重點問題。由于石墨烯本身具有高導(dǎo)電以及高導(dǎo)熱等優(yōu)良性能，正在被廣泛的使用到多個領(lǐng)域中，尤其是對于鋰電池而言，石墨烯的誕生為鋰電池實現(xiàn)高性能創(chuàng)造了良好的條件。本文研究了石墨烯的制備方法，并針對其在鋰電池負極材料中的應(yīng)用展開了分析。

關(guān)鍵詞：石墨烯;鋰離子電池;負極材料

引言

石墨烯具備高導(dǎo)熱性、高強度和高剛度、高導(dǎo)電性以及高比表面積等諸多優(yōu)勢，正是因為這些優(yōu)良的性能，目前在光電器件、儲能等多個領(lǐng)域的發(fā)展中，石墨烯及其復(fù)合材料正在被大規(guī)模的使用，尤其作為鋰電池負極材料，石墨烯發(fā)揮了很大的作用。鋰電池是一種綜合性能良好的電池，在發(fā)展的過程中，已經(jīng)成為動力電源選用的主要材料，同時，這對鋰電池的性能也提出了更高的要求，而石墨烯的出現(xiàn)則為鋰電池性能的提升提供了支持。

1石墨烯的制備方法

1.1機械剝離法

機械剝離法是一種通過機械力從熱解石墨的表面剝離出石墨烯的方法。第一，需要通過離子束在熱解石墨的表面進行離子刻蝕的工作，這種熱解石墨屬于高定向熱解石墨，要在其表面刻蝕出一個微槽，再將光刻膠粘貼在上面;第二，對高定向熱解石墨上的微槽進行烘焙，再反復(fù)撕揭透明膠帶，將其中剩余的部分取出;第三，將石墨片置于丙酮溶液中進行清洗;第四，再將石墨片置于丙醇溶液中，對其進行超聲處理，最后取出單層石墨烯。通過這種方法制備出的石墨烯具有晶體結(jié)構(gòu)較為完善的特點，但是該方法在實際的使用中，速度較慢，產(chǎn)量也相對較低。

1.2化學氣相沉積法

化學氣相沉積法是在一種在高溫可分解的前驅(qū)體氣氛中放置平面基底，再將這個平面基底進行高溫退火操作，促使碳原子可以在平面基底的表面實現(xiàn)沉積，最終制備出獨立的石墨烯片。這種石墨烯制備方法相對來說工藝較為完善，可以獲取到大面積的石墨烯片，不過也有一定的缺陷，化學氣相沉積法制備出的石墨烯在部分性能上與機械剝離法制備的石墨烯沒有明顯差異，但缺乏一部分屬性。由這種方法制備出的石墨烯的電子性質(zhì)很大程度上是由襯底決定的。

1.3石墨插層法

這種方法主要是以天然的鱗片石墨作為制備石墨烯的材料，將石墨與插入物質(zhì)混合之后獲取石墨烯。將原子團插入石墨中，就能夠獲取到一種全新的層狀化合物。當物質(zhì)插入之后，每一層石墨鱗片之間的層間力就會被相應(yīng)的降低，因此，就要借助超聲進行處理，才能夠獲取到石墨烯。這種方法可以用于超薄石墨烯的制備，但是對于插層的有效性和充分性很難保證，原因在于制備存在不可控性[1]。

2石墨烯在鋰電池負極材料中的運用

在鋰離子電池中，碳一直被大規(guī)模的使用，在其負極材料中，CNTs與C60是兩種被頻繁使用到的材料，在鋰離子電池化學性能提升中發(fā)揮了很大的作用。近些年來，石墨烯材料及其相關(guān)的配套技術(shù)正在不斷的興起，發(fā)展的速度越來越快，相關(guān)領(lǐng)域在鋰離子電池負極材料的選擇上，已經(jīng)將石墨烯作為一種新型材料融入到新型鋰電池的研發(fā)和使用中。通過大量的試驗結(jié)果顯示，利用石墨烯材料作為鋰離子電池的負極材料，具備優(yōu)越的儲鋰性能。

通過大量的實踐和試驗結(jié)果顯示，單純的石墨烯材料的首次可逆容量為540mAh/g，但是當它與CNTs與C60材料進行復(fù)合以后，這個首次可逆容量就會增加至730mAh/g以上，相對于理論容量而言，這個數(shù)值是要高出許多的。通過化學制備方法制備出的石墨烯，盡管其本身只有兩到三層，但是在試驗中，可以發(fā)現(xiàn)，它的首次可逆容量能夠達到650mAh/g，除此之外，這種石墨烯材料在經(jīng)過100次的循環(huán)之后，仍舊可以擁有超過450mAh/g的可逆容量，其原因在于，通過化學制備方法制備出的石墨烯材料的含氧官能團數(shù)量很高，借助高溫還原的手段，能夠促使石墨烯被高度還原，并且有著可逆容量高和結(jié)構(gòu)完整的特點。

除此之外，通過Staudenmaier制備方法得到的石墨烯，它的首次充電容量就可以達到1233mAh/g，首次放電容量則為672mAh/g，在經(jīng)過30次的循環(huán)之后，仍舊可以擁有超過500mAh/g的容量。通過熱膨脹制備方法得到的石墨烯材料，在電流密度為100mA/g時，它的首次充電容量可以達到2035mAh/g，首次放電容量為1264mAh/g，與此同時，在經(jīng)過40次的循環(huán)之后，它的容量仍舊可以超過850mAh/g。但是在利用這種方法制備石墨烯時，它的可逆容量是受到電流密度影響的，當電流密度出現(xiàn)變化時，可逆容量就會隨之發(fā)生變化，上文闡述的是電流密度為100mA/g時，石墨烯容量的數(shù)值，而當電流密度為300mA/g時，石墨烯的可逆容量就會下降到936mAh/g，當其為1000mA/g時，石墨烯材料的可逆容量就會再次下降到445mAh/g。

盡管石墨烯材料本身具備著多種優(yōu)異的性能，作為負極材料也是被廣泛認可的，但是如果直接將石墨烯材料應(yīng)用到鋰離子電池中，還是會產(chǎn)生諸多問題的。例如，當直接將石墨烯材料應(yīng)用到鋰離子電池中，在電池首次充電和首次放電的過程中，就會與電解液之間產(chǎn)生反應(yīng)，并且生成一種界面膜，一旦發(fā)生這種情況，鋰離子電池的負極就會出現(xiàn)鈍化的現(xiàn)象，這會造成大量的鋰離子流失，材料的不可逆變?nèi)萘恳矔芨?。與此同時，由于石墨烯材料本身具備高比表面積的性質(zhì)，這也意味著它與電解液之間接觸的面積就會很大，進而生成數(shù)量更多、面積更大的界面膜，損失更多的鋰離子。另外，在制備石墨烯的過程中，會出現(xiàn)團聚及堆積的現(xiàn)象，這會導(dǎo)致在充電和放電的過程中，電池出現(xiàn)容量衰減速度快的問題，電池的實際儲能效果下降，無法滿足預(yù)期。此外，通過對直接使用石墨烯材料作為負極材料的鋰離子電池的充電及放電曲線進行研究可知，這種鋰離子電子不能形成顯著和平穩(wěn)的放電平臺，由此我們可以判斷出，將石墨烯材料直接作為鋰離子電池的負極材料并不是一種可行的方式[2]。

研究表明，將其他材料與石墨烯材料進行復(fù)合，可以顯著提升石墨烯材料的性能。經(jīng)過復(fù)合的石墨烯材料，不僅可以將自身原有的性能充分的發(fā)揮出來，還可以將兩種材料的綜合性能以及協(xié)同效應(yīng)共同發(fā)揮出來，在實際的應(yīng)用中有很大的價值。例如，可以在石墨烯的表面以及每一層之間附著一定數(shù)量的納米粒子，一方面，這種方法可以阻礙石墨烯材料的團聚及堆積，另一方面，還可以緩解體積效應(yīng)。因為石墨烯本身具有良好的導(dǎo)電性能，為電子的傳輸創(chuàng)造了良好的通電以及網(wǎng)絡(luò)條件，顯著提升了電子傳輸?shù)哪芰Α?/p>

總結(jié)

綜上所述，就理論上而言，將石墨烯材料作為負極材料運用到鋰離子電池中是一種十分可行的方法。不過，就實踐及相關(guān)的試驗結(jié)果來看，將石墨烯材料直接運用到鋰離子電池中是不可行的?；诖?，今后鋰離子電池中負極材料更優(yōu)的選擇是石墨烯復(fù)合材料，將石墨烯與多種不同的材料進行混合，可以最大限度的發(fā)揮出石墨烯與其他材料的優(yōu)良性能，為鋰離子電池今后發(fā)展出更優(yōu)異的性能創(chuàng)造可能。

參考文獻

[1]賀婷婷，楊孝智，梁鵬等.石墨烯的制備及其在鋰電池負極材料中的應(yīng)用探討[J].農(nóng)村科學實驗，2018（12）：84-85.

[2]蔡輝.?多孔硅基復(fù)合材料和石墨烯/硅復(fù)合材料的制備及其在鋰電池中的應(yīng)用[D].浙江大學，2019.