石墨烯在锂离子电池材料性能优化中的应用分析

摘 要：结合目前对石墨烯材料特殊二维结构和优异物理化学性质的研究，提高锂离子电池的低能量密度和低循环性能，对锂离子正极中的石墨烯材料和石墨烯复合材料进行综述，探讨了石墨烯复合材料作为锂离子电池电极的结构和功能调节的重要性。

关键词：石墨烯；锂离子电池；电极材料；性能优化；应用分析

一、石墨烯在锂离子电池材料中应用概述

（一）石墨烯在锂离子电池材料中的发展

由于全球环境污染以及能源危机的严峻形势下，对可持续的新能源储存和运输面临着重大的需求。在新的系统研究过程中，工业部门最初建立和改进了储能材料和器件评估系统，特别是作为新能源储存系统。自首次提出锂电池概念以来，经过四十多年的发展，新的电池材料具有远远超出其理论水平的重要应用前景[1]。

因此，现在储能系统性能的主要问题是发现具有性能的能量储备或优秀的材料改性，确保最大的材料性能。当发现新的储能材料时，往往没有提供合理的技术要求，就極大限度地限制了材料的性能。石墨烯材料的出现是解决问题的开始。石墨烯是通过碳原子sp2杂化连接的氮原子层的二维蜂窝结构。通过将石墨烯弯曲成足球形状，形成一维碳纳米管，并且三维石墨烯被认为是石墨烯片的致密层。

（二）石墨烯在锂离子电池材料应用特点

石墨烯的发现丰富了碳材料，进而丰富了储能材料优化和改性的方法体系。因为石墨烯的导电率高，比表面积大，强度和刚度高等优良性能。理想的石墨烯是一种真正的表面固体，其所有碳原子都暴露在表面上，并且具有独特的优势，即它被用作锂离子电池的正极和负极材料。石墨烯具有非常大的比表面积，并且随着比表面积增加，可以减小电池的极化并且可以减少由于电池的极化导致的能量损失。石墨烯具有优异的导电性和导热性，即具有良好的电子传输通道，良好的导热性确保其稳定性。在通过附聚形成的宏观电极材料中，石墨烯片的尺寸远小于块状石墨，这使得在石墨烯之间添加锂离子的扩散路径更短，并且层间距更小它还有利于锂离子的扩散[2]。

二、石墨烯在锂离子电池作负极材料分析

（一）石墨烯直接作为锂离子电池负极材料

为了实现锂离子电池的高功率密度和高能量密度，增加锂离子电池负极材料的容量是一个主要问题。锂离子在石墨烯中具有非化学计量的嵌入和脱嵌，特殊容量远远超过石墨材料理论的特殊容量；多层石墨烯材料的面内结构与石墨的面内结构相同，但层间距离远大于石墨的层间距，有助于锂离子的快速插入和脱离[3]。

通过使用氢氧化肼还原预制的氧化石墨烯片，直接用作锂离子电池的负极，这不仅避免使用聚合物粘合剂，而且还避免化学制备的石墨烯片。包含部分残留的含氧与石墨阳极相比，具有优异的电化学性能，但直接作为锂离子电池的负极材料制成的石墨烯电池装置的性能不稳定。

尽管石墨烯用作锂电池的负极材料以改善导电性并改善锂电池的散热性能，但石墨烯材料作为负极电池电极具有直接的缺点：由于高比表面积导致锂的高储存容量丢失。由于表面积大，官能团和空位丰富等因素，电解质在循环过程中会在石墨烯表面分解，导致部分容量损失。因此，将石墨烯和其他材料合成石墨烯基复合阳极材料是锂电池研究的热点，是未来发展的趋势[4]。

（二）石墨烯与过渡金属氧化物复合

过渡金属氧化物是锂电池负极材料，具有广泛的适用性。因此，理论锂储存容量高，循环特性长，并且速度性能良好。然而，过渡金属氧化物的低导电率和在插入和脱嵌过程中，由锂离子的添加引起的体积效应导致锂离子电池的负极性能的不稳定性，这通常需要复合改性处理。一方面，石墨烯材料的添加可以提高过渡金属氧化物材料的导电性，减轻锂离子添加和脱嵌的体积效应；另一方面，过渡金属氧化物颗粒的加入有效地避免了石墨烯片的中间层。因此，对石墨烯的合成方法和性能增强进行了一系列研究。含少量石墨烯的Co3O4复合材料表现出柔软的层状，很好地卷绕了Co3O4颗粒，从而形成全面的空间网络结构的方向。稳定的空间网络结构可以有效地缓冲充电和放电过程中Co3O4电极材料体积的膨胀和收缩，并改善材料的生命周期[5]。

石墨烯掺杂后，电极材料的电化学性能得到改善。石墨烯分子可有效防止过渡金属氧化物在释放和释放循环中的团聚，从而保持电极材料的稳定性。然而，目前关于石墨烯复合微结构的实验还不够深，电化学性能差异的机理尚不清楚，并且没有得出该证据的结论。因此，复合材料在循环前后的微观结构和形态变化的比较，并且进行深入分析和诱导以确定影响电化学电极性能的重要因素。

三、石墨烯在正极材料复合中的应用分析

诸如正电极材料的低比容量和差的循环性能的缺点是限制实现锂离子电池的高功率和高能量密度首要问题。为了克服问题，大多数研究人员已经研究了新材料系统以及现有材料系统中杂原子的分析，并改进了锂离子电池的正极材料性能。石墨烯及其衍生物被广泛引入锂离子电池正极材料中，以弥补锂离子电池现有正极材料的低导电率等缺陷，从而提高石墨烯在锂离子电池材料性能的优化[6]。

（一）石墨烯与钒系材料复合

目前，VO5纳米粒子与纳米级碳材料相结合，解决了钒基材料导电率低，锂离子传输速率慢的问题。然而，钒基材料纳米粒子易结块，性能下降在长期流通下仍然是迫切需要解决的问题。复合材料中的石墨烯纳米片可以有效抑制VO5纳米线的聚集。V2O5是另一种基于钒的材料，它具有很大的吸引力。质量大的量子色散点可以为活性成分的体积膨胀提供更多的缓冲空间，缩短锂离子的色散距离，从而增加锂离子电池的寿命周期和容量上限。一方面，通过将石墨烯材料引入锂离子电池的阴极材料系统中，可以提高阴极材料的导电性，同时可以防止阴极材料的粉碎和塌陷，从而抑制阴极材料的溶解。另一方面，未来有必要加强具有高容量特性的新型材料系统的开发，通过构造合理的结构，因此石墨烯与钒系材料复合也将成为未来研究活动的焦点[7]。

（二）石墨烯与LiMn2O4正极材料的复合

使用石墨烯来改性尖晶石LiMn2O4也表现出优异的性能。采用改造的Hummer法制备了多层石墨烯，并制备了石墨烯/LiMn2O4纳米复合材料。在扫描电子显微镜中，复合材料中的二维石墨烯纳米片显示出皱纹，并且LiMn2O4纳米分子被紧密包裹以形成稳定的三维网络结构。具有尖晶石结构的LiMn2O4纳米全分子可以适当地固定在石墨烯纳米片的表面上。石墨烯片的存在有效地减少了分子LiMn2O4之间的聚集，因此特定表面的活性不会降低。导电框架良好的导电性能石墨烯纳米片结构能有效地防止电解质溶液，从而获得电极材料的优异电化学性能[8]。

综上所述，在使用石墨烯改性的LiMn2O4材料之后，电子的导电性和速度性能得到显著改善。这是因为，通过使用石墨烯材料，正极材料的锂离子的扩散路径大大缩短，锂离子的吸留释放加深，重整材料内的孔隙率增加，锂离子嵌入空间，从而增加锂离子电池的储存容量和能量密度。

石墨烯复合电极在电化学性能方面表现出优异的特性，但是，由于碳质材料微观结构的复杂性，以及材料的结构和电极的电化学性能制约高性能锂离子电池的发展。为了进一步解决诸如循环寿命缩短，低能量密度，低功率密度等缺点，就需要研究单层或多层石墨烯材料的工业生产方法。通过石墨烯材料的充放电机理，构建合理有效的石墨烯复合材料的可能性，从而降低石墨烯材料在电化学性能的影响。

参考文献

[1]曹亮，王安安，艾立华，等。石墨烯在锂离子电池材料性能优化中的应用[J]。中国有色金属学报，2016，26（4）：807-820。

[2]闻雷，陈静，罗洪泽，等。石墨烯在柔性锂离子电池中的应用及前景[J]。科学通报，2015，60（7）：630-644。

[3]朱碧玉，倪江锋，王海波，等。石墨烯在锂离子电池中应用的研究进展[J]。电源技术，2013，37（5）：860-862。

作者简介

郭娜娜（1988.11-）；性别：女，籍贯：甘肃庆阳人，学历：硕士，毕业于武汉科技大学；现有职称：初级工程师；研究方向：动力电池；

（作者单位：江西安驰新能源科技有限公司）