石墨烯鋰離子電池研究進(jìn)展概述

張振宇，鄭茹月，謝珊，唐佳其，許定達(dá)

石墨烯鋰離子電池研究進(jìn)展概述

張振宇，鄭茹月，謝珊，唐佳其，許定達(dá)

（內(nèi)江師范學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，四川 內(nèi)江 641100）

隨著人們的日常生活水平不斷提高，資源的消耗量也在逐步的增多，由此產(chǎn)生的環(huán)境問(wèn)題也在潛移默化中衍生，而石墨烯作為一種性價(jià)比極高且各方面性能均優(yōu)異的材料，特別是在鋰離子電池的研發(fā)工作中可以充分發(fā)揮它的巨大作用，同時(shí)新能源設(shè)備的開(kāi)發(fā)能解決由于原本的能源消耗所產(chǎn)生的一系列問(wèn)題。對(duì)石墨烯在鋰離子電池中的應(yīng)用進(jìn)行了綜述，分別從石墨烯、鋰離子電池以及其在具體的生產(chǎn)生活中的應(yīng)用進(jìn)行了介紹并對(duì)未來(lái)以及發(fā)展前景進(jìn)行展望。

石墨烯；鋰離子電池；新型復(fù)合材料；科研應(yīng)用

隨著近年來(lái)鋰離子電池科研方向的深度進(jìn)行，作為良好導(dǎo)體的石墨烯也得到了極大的關(guān)注以及研究，石墨烯由于其優(yōu)異的碳結(jié)構(gòu)以及穩(wěn)定的導(dǎo)電性在各種電動(dòng)器械以及便攜式移動(dòng)通訊工具中具有極高的應(yīng)用率。同時(shí)相較于同類型導(dǎo)體的硅和碳納米管，石墨烯擁有極強(qiáng)的導(dǎo)熱性和極高的強(qiáng)度，其在鋰離子電池中的應(yīng)用與開(kāi)發(fā)也收到了更大的關(guān)注，現(xiàn)階段隨著大眾對(duì)環(huán)境友好型新能源的需求，著手研發(fā)性能更加穩(wěn)定、安全系數(shù)更高的新型石墨烯鋰離子電池是一個(gè)極佳的研究方向。

1 石墨烯鋰離子電池研究進(jìn)展

1.1 石墨烯概述

石墨烯是一種具有良好導(dǎo)電導(dǎo)熱性的柔性超薄結(jié)構(gòu)物質(zhì)，它在鋰離子電池導(dǎo)電劑中屬于一種非常理想的負(fù)極導(dǎo)電材料，同時(shí)其奇特的物理及化學(xué)性質(zhì)也備受人們的關(guān)注，在目前新能源電池研究處于火熱階段的時(shí)期，石墨烯也深受科研人員的研究與開(kāi)發(fā)。

早在2019年王藝璇[1]等人就石墨烯作為鋰離子電池負(fù)極材料進(jìn)行了相關(guān)研究，他們進(jìn)行了多孔硅石墨烯制備實(shí)驗(yàn)，并且通過(guò)分析表征以及電化學(xué)性能測(cè)試，在得出圖像后再通過(guò)物相分析以及電化學(xué)性能分析得出了不同含量石墨烯在制備多孔硅粉材料中所展現(xiàn)的導(dǎo)電性能的差異。

王振廷[2]等就石墨烯的制備以及石墨烯作為鋰離子電池導(dǎo)電劑方向上進(jìn)行了深度研究，與前輩們不同，他們首先分別制備了石墨烯以及鋰離子電池，緊隨其后便對(duì)他們進(jìn)行了形貌表征以及電池性能測(cè)試，為了使結(jié)果更加形象且有對(duì)比性，分別用XDR以及AFM進(jìn)行表征，并通過(guò)具體數(shù)據(jù)圖像分析首次充放電性能、循環(huán)穩(wěn)定性、交流阻抗譜以及倍率性能，得出了多孔結(jié)構(gòu)能有效降低體積膨脹率的結(jié)論，為后續(xù)石墨烯相關(guān)研究打好了基礎(chǔ)。

趙艷紅[3]等則與前面所提及的王藝璇所做的研究相反，他的課題組則是圍繞將石墨烯作為鋰離子電池正極導(dǎo)電劑進(jìn)行了相關(guān)研究，他們首先根據(jù)不同規(guī)格石墨烯制作電池并進(jìn)行性能測(cè)試，并對(duì)相關(guān)樣品的石墨烯分散效果分析，在電池電化學(xué)性能分析階段，先后進(jìn)行了低溫放電測(cè)試和倍率放電測(cè)試，通過(guò)得出的折線圖及曲線圖發(fā)現(xiàn)規(guī)律從而取得不錯(cuò)的社會(huì)效益。

2021年夏童[4]及其課題組研究了磷酸鐵鋰以及小尺寸石墨烯做電池陰極材料，首先制備了電池以及氧化石墨烯復(fù)合材料，然后通過(guò)XDR以及形貌進(jìn)行表征，最后通過(guò)循環(huán)伏安曲線，交流抗阻分析以及循環(huán)性能分析等電化學(xué)性能測(cè)試得出了SGO的引用能提高電導(dǎo)效率同時(shí)提高離子轉(zhuǎn)移速率，從而達(dá)到提升性能的效果。

去年底，米盼盼[5]等對(duì)碳摻雜石墨烯錨定三氧化二鐵用作鋰離子電池高性能負(fù)極材料進(jìn)行了相關(guān)研究，他們同樣是在制備氧化石墨以及碳摻雜石墨烯復(fù)合材料之后，對(duì)材料進(jìn)行了表征，然后再進(jìn)行電池負(fù)極片制作以及紐扣電池的組裝與測(cè)試，最后對(duì)樣品進(jìn)行XDR、SEM、TEM、XPS分析, 對(duì)比分析得出的折線圖發(fā)現(xiàn)碳摻雜石墨烯能能顯著提升三氧化二鐵的性能，在不同電流密度下測(cè)試，發(fā)現(xiàn)其循環(huán)穩(wěn)定性也更為優(yōu)異,這也為后續(xù)的石墨烯研究奠定了基礎(chǔ)。

石墨烯是世界上現(xiàn)階段已發(fā)現(xiàn)的材料中強(qiáng)度最高的一種，相比現(xiàn)目前較為常見(jiàn)的高強(qiáng)度鋼鐵也是處于上風(fēng)，同時(shí)經(jīng)過(guò)科學(xué)家的大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其在自旋電子材料方面也能有著很好的運(yùn)用，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因大部分也是因?yàn)樘荚拥暮舜啪匾呀?jīng)小到可以忽略的地步，初此之外石墨烯在飽和吸收性以及機(jī)械性方面的優(yōu)勢(shì)也得到了多數(shù)科研人員的認(rèn)可，其在能源領(lǐng)域、光學(xué)領(lǐng)域以及生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也擁有著極大的用武之地。

1.2 鋰離子電池研究進(jìn)展

鋰離子電池是一種能量密度較高同時(shí)擁有高電壓的輕巧二次電池，在目前全球?qū)で笮履茉吹拇蟮臅r(shí)代背景下，其在便攜式通訊設(shè)備以及新型交通工具，其工作電壓高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、安全性能好以及充電快速的特點(diǎn)使得其備受各大產(chǎn)業(yè)的青睞，由于其現(xiàn)狀還屬于不太成熟的階段，因此還存在著回收率以及衰老率等情況，現(xiàn)階段鋰離子電池的研發(fā)也處于備受科研人員的關(guān)注。

在2019年，肖恩[6]及其團(tuán)隊(duì)成員就鋰離子電池的電化學(xué)性能進(jìn)行了相關(guān)研究，在整個(gè)研究階段中，他們首先進(jìn)行了復(fù)合材料的制備，緊接著就對(duì)材料進(jìn)行了表征，通過(guò)多幅具體的表征結(jié)果圖像，進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料中的碳以及硅的分離會(huì)使得電化學(xué)性能降低，此外通過(guò)材料的電化學(xué)結(jié)果測(cè)試分析得出的具體圖像以及散點(diǎn)圖并結(jié)合所查表格數(shù)據(jù)得出高能球磨時(shí)間對(duì)其電化學(xué)性能影響極大。

次年方稱輝[7]等就鋰離子電池多孔硅的制備及性能進(jìn)行了研究，相比其他人，他們?cè)诓牧现苽溥^(guò)后首先進(jìn)行了物理表征，然后才進(jìn)行了電化學(xué)性能表征，通過(guò)得出的XDR曲線以及其他電化學(xué)曲線發(fā)現(xiàn)將石墨烯與多孔硅相符合可以抑制體積相對(duì)膨脹同時(shí)增加導(dǎo)電性，這位鋰離子電池的生產(chǎn)起到了促進(jìn)作用。

孫鵬[8]等將磷化鎳作為負(fù)極材料并研究了相應(yīng)的鋰離子電池電化學(xué)性能，他們?cè)趯?shí)驗(yàn)過(guò)程中運(yùn)用了更為精密的儀器制備了納米復(fù)合材料然后進(jìn)行了復(fù)雜的電池組裝以及樣品測(cè)試，并對(duì)其分別進(jìn)行XRD、SEM、BET、電化學(xué)性能分析以及拉曼分析，通過(guò)方能西交流阻抗譜圖發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯的加入可以防止粒子團(tuán)聚同時(shí)緩解反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的體積效應(yīng)。

2021年錢晨亮[9]等對(duì)二氧化硅還原石墨烯并作為鋰離子電池電池負(fù)極材料進(jìn)行了相關(guān)研究，在制備完成樣品過(guò)后，使用X-射線衍射儀表征樣品，樣品在高溫預(yù)處理后在測(cè)定相應(yīng)的含量，他們簡(jiǎn)化了前輩的實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法，在電化學(xué)測(cè)試后僅進(jìn)行了電化學(xué)性能表征和結(jié)構(gòu)表征，在得出的散點(diǎn)圖中通過(guò)更多的公式來(lái)進(jìn)行擴(kuò)散系數(shù)的計(jì)算，也在多次計(jì)算結(jié)果對(duì)比過(guò)后發(fā)現(xiàn)衍生形成的無(wú)定形碳層可以使得離子得到更多的擴(kuò)散，電容量也可以達(dá)到更高。

吳啟超[10]及其課題組為解決鋰離子電池在充放電過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)的體積膨脹情況，在近期研究了碳網(wǎng)封裝石墨烯作為鋰離子電池負(fù)極材料所展現(xiàn)的特性，在合成路線、工作電極制備以及測(cè)試方法上均選用了更為復(fù)雜的方法，在數(shù)據(jù)處理以及結(jié)果分析上也是將物理與電化學(xué)分析相結(jié)合，在多種儀器產(chǎn)生的對(duì)比圖中可以明顯觀察到升高溫度比如使用水熱法或者選擇高溫碳化的方法可以使得鋰離子電池的循環(huán)更為穩(wěn)定，這為鋰離子電池的研制產(chǎn)生了良好的影響效應(yīng)。

1.3 鋰離子電池應(yīng)用現(xiàn)狀分析

石墨烯鋰離子電池因其優(yōu)異的循環(huán)性能以及高容量低密度的特點(diǎn)使得其在各大行業(yè)中都有廣泛的運(yùn)用，小到數(shù)碼相機(jī)、剃須刀以及電子手表等，大到電動(dòng)汽車、智能機(jī)器人甚至航天航空等都有著些巨大的運(yùn)用。各大生產(chǎn)制造廠商以及各個(gè)科研團(tuán)隊(duì)都在致力于開(kāi)發(fā)和完善鋰離子電池，并不斷從各個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化和創(chuàng)新。

2020年董麗坤[11]針對(duì)石墨烯負(fù)載納米二硫化鈷在鋰離子電池方面的應(yīng)用，在材料準(zhǔn)備過(guò)程中先制備氧化石墨烯，然后將納米級(jí)而氯化鈷與之混合以便制備復(fù)合材料，然后在電池組裝過(guò)后便進(jìn)行測(cè)試與表征,將測(cè)試所得結(jié)果再進(jìn)行物相分析和形貌分析，其后又進(jìn)行了電容量測(cè)試、循環(huán)性能測(cè)試以及倍率性能測(cè)試，從中得出納米復(fù)合材料的運(yùn)用會(huì)提高電子的傳導(dǎo)效率，從而使得鋰離子電池的循環(huán)性能到達(dá)更好的效果。

現(xiàn)階段，由于電動(dòng)汽車的不斷出現(xiàn)，田曉鴻[12]根據(jù)石墨烯在電動(dòng)汽車鋰離子電池的負(fù)極材料中的運(yùn)用進(jìn)行了相關(guān)的研究。在理論上來(lái)說(shuō)石墨烯作為負(fù)極材料能更好避免與電解液發(fā)生反應(yīng)的情況發(fā)生，同時(shí)其電池容量高且輸電穩(wěn)定能更好的保證電動(dòng)汽車的持續(xù)供能。在制備階段除了非氧化插層以及剪切剝離等還使用了不同的轉(zhuǎn)速進(jìn)行離心處理使得結(jié)果更有說(shuō)服力。在石墨烯復(fù)合材料制備后也在不同的電壓下進(jìn)行了性能測(cè)試，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)5％石墨烯量的復(fù)合材料更加適合新能源汽車的驅(qū)動(dòng)，這也充分未未來(lái)的新能源汽車研制與開(kāi)發(fā)起到了巨大的推動(dòng)作用。

2021年尹香檳[13]以及其科研團(tuán)隊(duì)就過(guò)渡金屬氧化物在鋰離子電池中的應(yīng)用進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，過(guò)渡金屬氧化物比傳統(tǒng)的石墨烯更適合現(xiàn)在的社會(huì)需求，屬于典型的環(huán)境友好型材料，制作難度較易且成本不高，分別通過(guò)四種不同的模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析與測(cè)試，同時(shí)為滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的生活需求，在模型構(gòu)建上也采用了三種模型對(duì)比的構(gòu)建方式，最后發(fā)現(xiàn)過(guò)渡金屬氧化物在電池負(fù)極材料中的應(yīng)用有著巨大的研究前景，這未之后的科研方向提供明確的方向。

由于目前電子元器件的使用以及消耗量巨大，整體發(fā)展也非常迅速，李泓[14-20]在之謎石墨烯雙層碳在鋰離子電池負(fù)極實(shí)用化上進(jìn)行了深度研究，其根據(jù)電池在工作過(guò)程中電極材料的密度以及體積發(fā)生的變化進(jìn)行了具體的對(duì)比與思考，同時(shí)在電極接觸界面也通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究來(lái)不斷發(fā)掘損耗更低，實(shí)用性更高的材料用以替換，并通過(guò)結(jié)合前輩楊全紅等的研究成果中發(fā)現(xiàn)了一種較為理想的“金剛不壞”外部抗壓大，內(nèi)部緩沖效果好的結(jié)構(gòu)即這種連續(xù)的石墨烯網(wǎng)，這為電極的磨損起到了巨大的幫助，也為我們的生產(chǎn)生活起到了巨大的幫助。

2 結(jié)論及展望

在如今嚴(yán)苛的環(huán)境局勢(shì)下，石墨烯作為一種導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性以及機(jī)械強(qiáng)度均極佳的材料，我相信，在未來(lái)的研發(fā)過(guò)程中可以使得鋰離子電池達(dá)到前所未有的高度，作為電池的負(fù)極導(dǎo)體材料極佳選擇之一，讓國(guó)內(nèi)的新能源汽車層次達(dá)到更高的水準(zhǔn)，極大緩解原本汽車造成的環(huán)境問(wèn)題，以及資源問(wèn)題，再通過(guò)不斷創(chuàng)新研發(fā)，使原本的能源消耗以及循環(huán)穩(wěn)定都不斷提升，逐步向世界一流水平看齊，在未來(lái)的研制中石墨烯與各種優(yōu)質(zhì)材料復(fù)合形成的新型材料定會(huì)為祖國(guó)的科技實(shí)力更上一個(gè)層次。

[1]王藝璇,高波,劉澤昆,等.多孔硅/石墨烯鋰離子電池負(fù)極材料的制備及其電化學(xué)性能研究[J].功能材料,2019,50(12):12074-12079.

[2]王振廷,王彥霞,張永柯.石墨烯制備及作為鋰離子電池導(dǎo)電劑的研究[J].電源技術(shù),2020,44(06):808-811.

[3]趙艷紅,吳濤,戰(zhàn)祥連,等.石墨烯作為鋰離子電池正極導(dǎo)電劑的研究[J].電源技術(shù),2020,44(07):945-947.

[4]夏童,李剛,徐世偉,等.磷酸鐵鋰/小尺寸石墨烯復(fù)合鋰離子電池陰極材料的制備及儲(chǔ)能特性[J].微納電子技術(shù),2021,58(05):386-391.

[5]米盼盼,郭明鋼,代巖,等.氮摻雜石墨烯錨定Fe2O3用作鋰離子電池高性能負(fù)極材料的研究[J].現(xiàn)代化工,2021,41(11):138-142.

[6]肖思,謝旭佳,謝雍基,等.鋰離子電池硅/石墨烯負(fù)極材料的電化學(xué)性能[J].硅酸鹽學(xué)報(bào),2019,47(09):1327-1334.

[7]方稱輝,李新喜,張國(guó)慶,等.鋰離子電池多孔硅/石墨烯復(fù)合負(fù)極材料的制備及性能研究[J].河南科技,2020,39(29):133-137.

[8]孫鵬,馬賢坤,趙佳華,等.磷化鎳/氧化石墨烯負(fù)極材料的制備及其鋰離子電池性能研究[J].化工新型材料,2021,49(05):97-101.

[9]錢晨亮,古飛蛟,金雙玲,等.SnO2@C/還原氧化石墨烯的制備及其作為鋰離子電池負(fù)極材料的性能[J]. 硅酸鹽學(xué)報(bào), 2022, 50 (05): 1215-1222.

[10]吳啟超,孫莞書,雍達(dá)明,等.碳網(wǎng)封裝Fe3O4/還原氧化石墨烯鋰離子電池負(fù)極材料[J].化學(xué)研究與應(yīng)用,2022,34(04):856-868.

[11]董麗坤,賈永卿.石墨烯負(fù)載納米二硫化鈷的制備及其在鋰離子電池方面的應(yīng)用研究[J].無(wú)機(jī)鹽工業(yè),2020,52(07):55-58.

[12]田曉鴻.石墨烯制備及其在新能源汽車鋰離子電池負(fù)極材料中的應(yīng)用[J].粘接,2021,45(01):183-186.

[13]尹香檳,辛明亮,黃國(guó)家,等.過(guò)渡金屬氧化物/石墨烯復(fù)合材料在鋰離子電池負(fù)極材料中的應(yīng)用[J].化工新型材料,2021,49(08):55-59.

[14] 翟忠偉, 孔雪. 化工園區(qū)污水處理工藝技術(shù)設(shè)計(jì)[J]. 遼寧化工, 2022, 51 (03): 335-338.

[15] 寧波材料所與浙江省石墨烯制造業(yè)創(chuàng)新中心聯(lián)合研制出3kW石墨烯基鋁燃料電池發(fā)電系統(tǒng)[J].有色金屬材料與工程, 2018, 39 (06): 56.

[16] 朱果.溶膠凝膠法制備Fe3O4/石墨烯復(fù)合材料及其在鋰離子電池負(fù)極材料中的應(yīng)用[J].湖南有色金屬,2018,34(06):40-45.

[17] 趙建江,徐明生.氧化鎂層對(duì)石墨烯/硅太陽(yáng)能電池的界面優(yōu)化[J].光子學(xué)報(bào),2018,47(12):64-70.

[18]譚鳳芝,趙艷茹,曹亞峰.MoS2/石墨烯鋰離子電池負(fù)極材料的制備及其性能[J].化工進(jìn)展,2017,36(12):4519-4523.

[19] 韓鵬獻(xiàn),姚建華,崔光磊.氧化石墨烯/聚苯胺復(fù)合物用于釩液流電池電極材料的研究[J].電池工業(yè),2017,21(5):14-18.

[20] 吉功濤.石墨烯及其復(fù)合材料在鋰離子電池負(fù)極材料中的應(yīng)用[J].化工管理, 2017(30):89.

Research Progress of Graphene Lithium-ion Batteries

（College of Chemistry and Chemical Engineering, Neijiang Normal University, Neijiang Sichuan 641100, China）

With the continuous improvement of people's daily life, the consumption of resources is gradually increasing, and the resulting environmental problems are also subtly derived. Graphene, as a material with high cost performance and excellent performance in all aspects, can give full play to its huge role, especially in the research and development of lithium-ion batteries. Meanwhile, the development of new energy equipment can solve a series of problems caused by the original energy consumption. In this paper, the application of graphene in lithium-ion batteries was reviewed, and graphene, lithium-ion batteries and their applications in specific production and life were introduced respectively, and the future and development prospects were prospected.

Graphene; Lithium-ion battery; New composite material; Scientific research application

內(nèi)江師范學(xué)院科技處項(xiàng)目，具有表面微結(jié)構(gòu)的可拉伸電極及其在應(yīng)力傳感器中的應(yīng)用（項(xiàng)目編號(hào)：X20B0014）。

2022-05-30

張振宇（1999-），男，四川南充人。

許定達(dá)（1986-），男，講師，博士，主要從事環(huán)境科學(xué)方向研究。

TQ03

A

1004-0935（2023）01-0098-04