浅析石墨烯电极材料对电池性能的影响

王 剑，任 君

（南宁职业技术学院，广西 南宁 530000）

1 石墨烯材料综述

1.1 石墨烯概述

石墨烯材料由基本的碳原子组成，其形状呈六角形。组成与蜂巢相似的平面二维结构，属于纳米材料中的一种。2004年，曼彻斯特大学的Andrehaim和Konstantin团队首次成功地采用机械剥离法，获取了石墨烯。石墨烯的发现者获得了2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯是一种由一层碳原子组成的新材料。碳原子在参与杂化的过程中以SP2的形式，使电子能够保证顺利传导。石墨烯材料的导电性良好，是目前已知材料中电阻率最低的一类导电材料。石墨烯由于其特殊的纳米结构和优异的物理化学性能，在电子学、光学、磁学、生物医学、催化、储能、传感器等领域显示出巨大的潜力。

1.2 石墨烯的特点

1.2.1 超大比表面积

石墨烯材料的比表面积非常大，可达到2600m2/g，当其他材料与石墨烯材料相结合后能够最大程度的提高其比表面积。其他材料的相互作用分布在石墨烯片的表面或片间，石墨烯材料本身已发生团聚现象，当与其它材料复合时能够降低其团聚倾向。使材料之间能够很好的协同。

1.2.2 导电性优良

石墨烯材料的导电性能非常好，当石墨烯材料中掺入其它材料时，能够形成完善的电子传输网络。从而能够做大程度的提高其导电性能。

1.2.3 柔韧特性

石墨烯本身具有很强的柔韧性能，当与其它材料复合时，将会形成多孔结构。能够显著增加电极材料的活性，同时增大了与电解液的接触面积。可以最大限度的降低电极材料在使用过程的体积变化，延长使用寿命。

1.3 石墨烯材料的不足与改进

1.3.1 石墨烯材料的缺点

石墨烯虽然有很多优点，但缺点也很明显。首先，循环效率低，对充放电要求高。经过多次循环后，它变得不稳定。这就是为什么市场上其他碳材料仍旧在市场上广泛采用的主要原因。其次，石墨烯材料具有可重复使用的特点，但是由于没有实际应用，离大规模生产还有很长的路要走。

1.3.2 石墨烯材料的改进

石墨烯以其高导电性、大比表面积、高化学稳定性等优异的物理化学性能，在锂离子电池的研究中备受关注。在电池阳极材料中使用石墨烯材料，当石墨烯材料中掺入其它材料进行复合时，能够极大的提高电极材料的整体性能。石墨烯与其他材料复合为电极活性材料。石墨烯及其相关材料在能源领域的成功应用有赖于生产方法的发展和优化。大规模的液相剥离技术正在被开发用于各种材料的层压。该技术可以优化晶片尺寸的控制，提高燃料电池的边长比，对燃料电池的发展和电池电极性能的提高具有重要意义。它还可以生产微晶或纳米晶，或通过化学合成控制晶片的边缘。这是增加存储容量的理想方法。

2 锂离子电池综述

2.1 锂离子电池简介

锂离子电池具有较高的能量比，良好的综合性能，已成为电子设备电源的首选。石墨烯的发现为锂离子电池更高性能的突破带来了无限可能，因此锂离子电池材料的研究成为新时代的宠儿。在电子信息时代的发展背景下，锂离子电池在其开发和应用领域已成为主要的研究对象。电池负极材料在利用锂离子的过程中，碳的同位异构体或与其他材料形成的混合物可作为导电性能优良的稳定材料。

2.2 锂离子电池工作原理

在锂离子电池中，锂离子的锂源是负极，使用寿命长，安全性好。以最常见的石墨阳极和钴酸锂阴极锂离子电池为例，钴酸锂氧化物中的锂与石墨中的锂处于平衡状态，石墨插层能与锂离子可逆结合形成最终反应物。锂源为石墨表面的钝化膜提供电荷，在实际的锂离子电池技术中，一个重要的任务就是降低所需的功率，使正极材料更加耐用。在充放电过程中，锂离子与电解液中的分子结合形成金属沉积。它们在表面形成一层薄膜，阻止电子迁移，但允许锂离子通过。这在电极表面形成了一层钝化膜，使问题集中在阳极的稳定性上。实际上，就电压和容量而言，阴极是一个限制因素，而就可逆性而言，则考虑阳极的稳定性。

2.3 锂离子电池缺陷

目前，锂离子动力电池的发展存在四大瓶颈：能量密度低、快速充电性能差、低温充放电性能差、安全性差。电池的能量密度是指电池每单位体积或质量释放的能量。由于正极和负极材料的比容量较低，锂离子电池的能量密度较低。导致锂离子电池大多用于小型电子设备。但现在越来越多的设备对电池的要求越来越高，因此锂离子电池需要提高性能。

锂离子在石墨电极中的扩散速度慢，低温充放电性能与锂离子在电极中的扩散路径和电解液的低温活性有关。锂离子电池的寿命也是一个问题。在使用过程中，锂离子电池的性能会不断下降，无法获得安全耐用的电池。锂离子电池也有致命的安全缺陷。在大功率充放电过程中，由于没有保护膜和电解液，电极极易持续氧化。当材料衰减速度大大加快时，可能会释放气体，造成不可逆的损失和安全隐患

3 石墨烯在锂离子电池中的应用

石墨烯自诞生以来就引起了人们的广泛关注。近年来，随着石墨烯及其相关材料的发展，其性能得到了广泛的探索和应用。石墨烯具有高导电性，可以大大提高石墨烯锂离子电池的电流容量和能量密度。事实上，石墨烯既可以用作阴极也可以用作阳极。石墨烯所具有的物理化学性质较为特殊，其应用潜力在电极材料领域巨大。锂离子电池主要有正、负极材料及隔膜和电解液组成。同时，对电池性能存在非常重要影响的电极材料。石墨烯材料的应用在锂离子电池中大致可以分为三类：一是在电池正极中的应用，二是在电池负极中的应用，三是在电池中的其它应用。

3.1 石墨烯在正极材料中的应用

对于锂离子电池，合适的正极材料应满足可逆容量大、电位高、稳定性好、无毒、生产成本低等要求。锂离子电池在储能密度方面正极材料的性能非常关键，然而正极材料在比容量方面与负极材料相比较，处于落后状态。而其生产成本恰好是电池生产成本的40%。大量带正电荷的锂离子需要由正极活性材料来接收并保持稳定状态。正极导体采用石墨烯材料具有明显的优点，其在导电效率及耗电量方面显著提高了电池的单位储能能力。电池中的石墨烯与正极中的活性物质接触后，能够形成平面结构，在整个电极表面能够轻松构件导电网络。

3.2 石墨烯在负极材料中的应用

锂离子电池负极材料应满足可逆容量大、对环境无毒、稳定性好、成膜致密稳定、氧化还原电位低、生产成本低等要求。石墨烯具有特殊的层状结构，比传统的碳负极材料能储存更多的锂。石墨烯适用于锂离子电池、太阳能电池、燃料电池等。当电池的负极材料采用纯石墨烯时，其具有很高的初始放电容量，首次循环效率较低且稳定性差等诸多问题。然而当石墨烯与其它电池负极活性材料复合后，能够激发石墨烯材料的潜能，从而能够发挥更大的作用。石墨烯可以有效地减小活性材料的粒径，防止纳米粒子的聚集，提高复合材料的电子和离子传输能力和机械稳定性。因此，该电极材料具有容量大、放电性能好、循环寿命长的特点，可以充分发挥石墨烯与相关材料的协同效应。因此，石墨烯可以提高材料的导电性和电池的性能。

3.3 锂离子电池石墨烯材料的电化学改性

在电解液的改性中采用石墨烯材料可实现电池的快速充电，同时能够最大程度的降低电池的使用温度。石墨烯复合材料利用其独特的平面结构能够实现锂离子在其表面的快速迁移。当在电池电解液中加入石墨烯能够显著增加充电电流，大大缩短充电时间。由于石墨烯材料具有优异的导热性能，在电池充电时可以做到快速散热。而华为的瓦特实验室在锂离子电池领域具有多年的研发经验，作为石墨烯材料研究的领导者。该公司在2016年，利用石墨烯材料研发出一种新型的高温锂离子电池。该类型电池可将使用的极限温度提高10℃左右，能够明显延长电池的使用寿命。

3.4 石墨烯在锂离子电池中的其他应用

石墨烯优异的机械强度和韧性在可变形锂离子电池的制备中也发挥着独特的作用。在对苯二甲酸乙酯表面涂覆石墨烯薄膜，形成相对弹性好的复合材料，并降低材料的密度，优化其性能。程等将石墨烯材料真空过滤到滤纸表面，使石墨烯/纤维素复合材料具有优异的力学性能和导电性。柔性锂离子电池材料可以提高锂离子电池的环境适应性。随着研究的发展，柔性电极材料有望应用于耐磨电子器件中。

4 石墨烯锂离子电池创新设计

我国在干式机械剥离技术方面具有自主研发的能力，其中材料转化和工艺优化等新技术，近年来为新型电池设计的主导方向。随着科学技术的进步，石墨烯的生产成本得到了大大的降低。石墨烯目前达到了纳米级，其结构在复合材料的参与下可以重新组装成微米级的千层饼结构，能够形成大量的微孔。电池如果采用这种材料作阴极能够获得更高的容量和效率。利用大量石墨烯作为活性物质硫的载体和无缺陷石墨烯作为导电剂，一些石墨烯氧化物可以在正极上阻断多硫化物。石墨烯广泛应用于超级电容器和太阳能电池中。

5 石墨烯产业发展前景

总体来看，石墨烯产业尚处于探索阶段，材料制备方法有待拓展和优化，下游产品技术也需要时间成熟。然而，作为21世纪的明星材料，随着技术成熟度的提高，石墨烯必将得到广泛的应用。为了解决这些主要问题，近年来石墨烯电极材料的优化主要集中在以下几个方面：

（1）提高电池的可逆比容量，改善电池的充放电性能，延长电池寿命。

（2）提高电子转移速率和不密封性提高电极材料的倍率，提高锂离子电池倍增器的性能，实现快速充电，提高电池的充放电性能。

（3）新型纳米材料在其实际应用中的途径得以拓宽，能够发挥材料的综合性能，充分发挥其优势。

（4）加强石墨烯电极材料的柔韧性能，加大开发力度，提高电池材料的变形能力，增强其环境适应性。

（5）开发和优化新的生产工艺，降低石墨烯电极材料的生产成本，并实现电池的大规模商业化生产。

（6）积极寻找化学稳定、绿色、无污染的复合材料，实现电池的环保，减少电极材料带来的安全隐患和污染。

6 结语

随着科学技术的不断进步，石墨烯材料通过不断的改良，其复合材料在锂离子电池中的应用将会越来越广泛。而石墨烯材料与其它电极材料的结合能够显著提高锂离子电池的性能。同时，石墨烯层的结构和形貌对提高电极材料的电化学性能具有重要意义。其性能的充分发挥需要各国各级研究人员的共同努力。而石墨烯的潜在研究价值在锂离子电池中能够充分得到体现，相信在不久的将来。相对成熟的石墨烯锂离子电池可以商业化生产，真正造福世界。