石墨烯材料在鋰離子電池和鋰硫電池中的應用

來源：存能電氣  日期：2019-09-30 11:13  瀏覽量：次

　　石墨烯材料在鋰離子電池和鋰硫電池中的應用。石墨烯作為一種新型納米材料,以其特殊的二維單層延伸碳結構、出色的導電性、導熱性、韌性及強度等優異性能,在功能材料、能源等多個領域有著廣泛的應用前景。石墨烯的加入對不同電極材料導電性提高和對鋰離子電池電化學性能的改善，尤其是對大電流放電性能和倍率性能的改善。

　　石墨烯材料在鋰離子電池中的應用

　　鋰離子電池具有能量密度高、可逆容量大、開路電壓大、使用壽命長等特點。在對鋰離子電池電極材料的研究過程中，一些碳元素的同素異形體及混合物可以作為導電性能優良的穩定材料，常被用于開發新型鋰離子電池負極材料的研究。

　　石墨烯由于其高電導率、超大比表面積、高化學穩定性等優異的物理和化學特性,在鋰離子電池中進行了廣泛研究,石墨烯由于其質量輕、導電性好、韌性高等優勢成為材料研究層面的一大突破。石墨烯在電極材料研究領域開發潛力巨大。按照應用領域的不同，石墨烯材料在鋰離子電池中的應用大體可分為三類：石墨烯在正極材料中的應用、在負極材料中的應用和在鋰離子電池中的其他應用。

　　石墨烯將LiFePO4半包裹后形成的材料可以提高LiFePO4材料的導電性能，但將其全包裹后離子傳輸效率下降，并推測可能是因為鋰離子無法通過石墨烯的六元環結構。

　　目前石墨烯負極復合材料主要有：過渡金屬氧化物/石墨烯復合材料和石墨烯改性硅基材料等。這一類復合材料的研究方向是利用石墨烯材料的導電性能和結構特點輔助納米材料，改善其鋰離子傳輸速率，從而提高鋰離子電池的倍率性能，彌補原材料的缺陷和不足。

　　鑒于其優異的導電性能，石墨烯材料可以作為導電添加劑優化鋰離子電池的電導率。

　　石墨烯材料在鋰硫電池中的應用

　　在傳統鋰離子電池中，正極材料因“插層式”的儲鋰機制導致其容量普遍較低，無法滿足快速增長的市場需求。因此，新型高能量密度二次電池的探索和研發成為了儲能領域的研究熱點，其中其中鋰硫電池就是其中之一。

　　為了獲得高性能的鋰硫電池，研究者對硫正極進行了多種手段的復合與改性研究，設計并制備了一系列具有新穎結構和優異性能的復合硫正極材料。其中，碳材料因其導電性高、結構豐富、比表面積大等優勢而得到了廣泛應用，而石墨烯這一新型碳材料在提升鋰硫電池性能方面有優異表現。

　　石墨烯是優異的電子導體，同時具有機械強度高、比表面積大等優點，同時化學改性的石墨烯及石墨烯衍生物具有一系列能為負載提供諸多活性位點的表面官能團，因此石墨烯在復合硫正極材料中得到了廣泛的應用。一方面，石墨烯材料被用作硫正極的導電載體，彌補硫導電性差的缺陷；另一方面，通過合理的結構設計與表面改性，石墨烯還能夠抑制多硫化物的溶解。

　　石墨烯鋰電池材料極高的電導率可以彌補硫顆粒導電性差的問題，因此石墨烯材料多被設計成負載硫單質的導電基體或者導電網絡，比如石墨烯泡沫結構可實現石墨烯與硫在納米尺度的均勻復合，能夠為硫提供快速與高效的電子傳輸通道，同時納米孔還能夠有效束縛多硫化物。

　　鋰硫電池由于其理論比容量、比能量高，原料價廉易得，在未來電化學儲能領域中將極具競爭力，如果通過石墨烯的應用能夠改善鋰硫電池實際容量低、循環性能差和信率性能不佳等缺點，在不遠的將來，鋰硫電池的表現可能會給我們帶來更多驚喜。

　　總結：以上就是石墨烯材料在鋰離子電池和鋰硫電池中的應用，與傳統塊體材料相比，石墨烯材料具有優越的導電性能、導熱性能、韌性以及極為輕薄的二維結構，使其在鋰離子電池新型電極材料的開發研究領域具有廣闊的前景。