石墨烯在锂离子电池负极材料中的应用

江滔

摘要：在传统化石能源逐渐短缺的历史发展中，使可再生新型能源和能量存储技术成为世界不可避免的发展趋势。锂电子电池作为现如今一种非常具有开发潜力的电化学储存方式，一方面在民间市场，另一方面在国防领域的表现，它都是一种非常具有发展潜力的能量储存方式。可以毫不避讳的说，锂离子电池的发展，已经初步的影响了综合国力，那么怎样才能让石墨烯在锂离子电池的发展中成为超级材料，首先我们要了解锂离子电池的性能主要受制于什么？

关键词：石墨烯;新能源;锂离子电池;负极材料

1  什么是石墨烯

首先我们得了解，什么是石墨烯呢？石墨烯长什么样？权威的科学解释石墨烯是由单层碳原子排列成六边形晶格而形成的一种异形体。自然界中有许多它的“同胞兄弟”如石墨、钻石、碳、碳纳米管。这些都是碳的其他异形体。石墨烯他的化学结构很简单，作为一种新型的材料，将会变得极其容易获得，不会像之前难以获得的材料那么昂贵，这将会使价格变得低廉，也让人们更容易所接受。再说它的空间结构，它的形状是一种类似足球比赛中守门员的球网，是一种薄膜，是一种六角型晶格平面的薄膜，是一种只有一个碳原子的厚度二维材料，是一种新型的、坚固的二维材料，这就区别了和三维材料的区别，在后面我们会说出石墨烯也是可以由二维材料变成三维材料的。

纵观近些年来有关石墨烯的研究，实验制备和应用等方面都成为国内以及国外有关专家研究的热点。石墨烯具有一些不同于其他材料的一些特性，他是最坚固的材料，它能传导热量和电能，它几乎是透明的。所以相较于之前用于储能材料，和用于光电催化方面的材料，石墨烯具有着一些得天独厚的优势，也意味这在这些方面上，石墨烯将会得到更为广泛的使用。

锂离子电池是从古至今比能量最高的可多次使用的电池，具有良好的综合性，所以它成为了现如今电子设备和动力电源的首选。因为有石墨烯的发现，所以才为锂离子电池有更高性能的突破带来了无限的可能，所以锂离子电池材料的研究才为成为新时代的宠儿。

虽然石墨烯材料的优点确实很多，但是它的缺点也是极其的明显，首先便是，作为一种可多次循环使用的材料，它具有以下缺陷：目前石墨稀还没达到实用化阶段，离大批量生產还有很长的路要走。工艺特性不兼容。首次循环库仓效率低充放电的要求比较高然后它多次循环之后的稳定性较差等缺陷。所以才导致了他暂时还不能取代目前商用中使用的炭材料。

2  关于在锂离子电池负极材料中石墨烯的应用

石墨烯，当它作为一种新型材料时，被众多科学人员研究，作为锂电池负极材料使用时，它具有磷酸铁锂、三元锂等材料不具备的优点，它所能产生的实验效果，讨论一下，首先以石墨烯来做负极材料得前提不变。并且一直使用50mAg的电流密度充放电，我们来观察第一次和多次实验得结果。首先还是以50mAg来充放电，我们得出了石墨烯作为电极材料第一次的是540mAhg，这在最初看起来也是一个较大得数值了。但是在第二次开始，甚至是多次之后，我们会发现每一次的充放电都会使电池的容量发生衰减。这是为什么呢？研究人员通过多次变量和改变石墨烯本身的排列方式来进行研究，发现了在多次充放过程中，容量的变化和石墨烯本身的排列息息相关。换种方式，当我们使用热膨胀氧化石墨法制作方法来制作石墨烯，并继续用于锂离子电池负极材料的制作。实验中用1mMg的电流密度来进行实验，其比容量既然能惊喜的达到554mAh/g。显然这样的数据还不是极限，还有更多的可能。后来研究人员发现，C6以及碳纳米管便是极限上升的重要条件。在添加了这两样物质以后，其比容量居然可以达到更为惊人的784mAhg。尽管如此，但是衰减率的问题还是没有得到有效的解决，在经过研究人员的多次实验之后，得出来一个结论：石墨烯材料做出来的锂电池拥有着很大的容量，特别是用于纯电动汽车电池中，能够增加行驶的里程数，但是当石墨烯作为锂电池负极材料时与其它材料一样，经过多次循环利用之后容量将会严重衰减，在多次充放电以后，会衰减的越来越严重。所以我们得出来一个结论，石墨烯作为单独的电极材料来使用将会大大降低锂电池得寿命。但是石墨烯本身的特性，也足以让他成为最好负极材料得宠儿。

3  石墨烯基复合材料在锂电池负极材料中的应用

现如今，因为锂电池的发展，以石墨烯基复合材料为基本的研究有很多研究人员在探讨，在这些研究之中，主要分为两类，一种是用金属另外一种是用金属氧化物来与石墨烯分别进行复合实验。这些实验在不同情况下都提高了锂电池的性能。不仅仅如此，石墨烯也是对硅作为负极进行改性的关键。这是为什么呢？首先我们得知道一种效应，名曰体积效应，他是储能过程中重要得一环，如果能够有更大的体积，便能缓解一些情况，反之则不然。因为石墨烯独特的形状，所以能够提供更为稳定的导电网络，得到更大的储能体积，所以这边克服了体积效应，从而加强了储锂的空间与性能。当将纳米硅颗粒充分的分散在石墨烯上进行演变时，然后再热处理从而得到硅-石墨烯材料。通过电化学测试的实验得到，该复合材料经过循环之后，锂电池的容量将大于2200mA·h/g。然后再次经过循环，容量将大于1500mA·h/g。每个循环之后，我们会惊喜的发现，这些衰减率都将会小于0.59。之所以这样得出来的材料能够拥有这么优异的性能，是因为纳米硅颗粒的分布有一些特点。在我们的观察之下，会发现这些纳米硅颗粒在石墨烯层之间的分布极为广泛。

著名的高鹏飞，他通过喷雾干燥的技术，使二维的石墨烯的加工，成为了拥有三维结构的导电网络。同时也得到了一种包裏型硅碳复合材料。在通过实验之后得出了结论，它具有不低于1525mA·h/g的比容量。而且在多次的循环实验之后，得出这样得符合材料的韧性也是非常好的。当通过喷雾干燥法来得到硅石墨烯复合料时，再通过电化学来进行测试，首次充放电容量的数据为别为2174mA·h/g，1252mA·h/g。因为这样过喷雾干燥法得到了石墨烯材料，他是浴花状结构的。石墨烯自由空间来缓解放电过程中硅的体积变化的大小，并且预防了硅颗粒之间的聚集。

4  石墨烯金屬氧化物复合材料在锂电池负极材料中的应用

根据当前的研究，当我们使用石墨烯和金属氧化物进行作用的时候，可以得到一种性能极其优越的复合形的电极材料。再因为金属氧化物本身具有的特点，这便使得这样的材料，在储存电量时，能够有很高的密度。所以这时我们再将金属氧化物颗粒，融于石墨烯片层中，确保离子传输通道的畅通。

还有一种方法，那就是气液界面合成法，因为SnO2纳米颗粒在石墨烯表面时，在充放电过程中基本不能凝聚的原因。所以当我们用这种方法来制作的石墨烯这个复合材料的时候，再通过之前的循环充放的方法，来进行实验的时候，会发现这样的复合材料在100次循环甚至是200循环之后，依然可以保持1400mA·h/g以上的可逆容量。通过多次的实验还得出了另外一种方法，那便是喷雾干燥法。将石墨烯复合材料的立体结构变成独特的Fe2O3微观立体结构。这样的材料它的可逆容量高达惊人的900mA·h/g。石墨烯不仅提供了充分的自由空间来缓解Fe2O3的体积效应，还从材料内部电子及离子来进行提高传输能力，以及石墨烯复合材料的循环稳定性。

综上所述，石墨烯制作的材料不仅仅拥有完美电化学性能，当他作为一种复合材料的时候，它还具有以下特点：引入物不仅能够均匀地分散在石墨烯片层之中，并且还能将石墨烯引入物紧密包覆起来。这样反应出现的结果，首先是提供了自由的空间来解决充放过程中的膨胀作用，再然后便是有效缓解石墨烯緩冲循环过程中的体积效应，同时还能使引入物发挥高容量的优势。目前石墨烯作为锂离子电池的负极材料的这项研究，在全世界范围内都取得了一定成果，但是为了能够在以后满足商业中更高的要求。石墨烯基电极材料的发展需要注意以下几方面：①石墨烯复合材料在结构;②石墨烯复合材料尺寸;③复合材料孔径，烯复合材料制作工艺。只有大规模的设计和生产，才能满足日益增长的市场需求。

5  结束语

石墨烯作为锂离子电池的材料拥有很多的优点，它为高性能负极材料性能的加强提供了无限的可能，但同时它也有着不可忽视的缺点，这为如何才能完善，从而对得到一种完美的适合市场需求的石墨烯的制备技术，提供了一个基本大致的方向。如何制备出性能优异，符合人们需求，符合潮流所需的石墨烯基复合材料，成为了石墨烯当前研究的重点。

参考文献：

[1]刘雯雯，柴涛，兰树仁，张新宇.石墨烯-纳米二氧化钛复合材料的绿色制备及性能研究[J].现代化工，2020，40（03）：186-189.

[2]李悦，郭绍雄，何嵩，胡增荣.石墨-金属复合材料的制备及应用[J].内燃机与配件，2018（09）：136-138.

[3]巩桂芬，李泽，王磊，崔巍巍.静电纺TiO2改性联苯型聚酰亚胺锂离子电池隔膜[J].材料研究学报，2020，34（03）：169-175.

基金项目：安徽省自然科学项目：石墨烯修饰纳微米材料在锂离子电池中的应用KJ2018A0830。