基于石墨烯的鋰離子電池負(fù)極材料研究進展

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1、基于石墨烯的鋰離子電池負(fù)極材料研究進展基于石墨烯的鋰離子電池負(fù)極材料研究進展摘要：鋰離子電池因其質(zhì)量輕、能量密度大、安全的優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于便攜式電子設(shè)備領(lǐng)域，逐步成為了應(yīng)用最佳和最有發(fā)展前途的能源。為了進一步提高鋰離子電池的能量密度、循環(huán)壽命，需要進一步開發(fā)新的負(fù)極材料。由于石墨烯具有優(yōu)越的導(dǎo)電性、超高的比表面積和很好的機械強度等特點,其在鋰離子電池負(fù)極材料方面顯示出潛在的應(yīng)用前景[1]。本文綜述了目前世界上對于基于石墨烯材料的鋰離子電池負(fù)極材料的研究現(xiàn)狀。并對現(xiàn)有研究存在的不足做出了評價和預(yù)測了未來的研究方向。關(guān)鍵詞：鋰離子電池；負(fù)極

2、材料；石墨烯前言：相比其他可充二次電池，鋰離子電池中具有高的比容量、相對低的自放電、長的循環(huán)壽命和小的環(huán)境污染等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于便攜式電子設(shè)備中。近幾年能源環(huán)境問題及世界各國發(fā)展電動車的需求，因此迫切需要開發(fā)更高能量密度(高比容量)、更高功率密度(高的倍率性能)和更長循環(huán)壽命(優(yōu)越的循環(huán)性能)的鋰離子電池。鋰離子電池電化學(xué)性能的提高關(guān)鍵因素在于其正負(fù)極材料的提升。目前，商業(yè)化的鋰離子電池負(fù)極材料石墨具有理論比容量低(372mAhg-1)和鋰離子傳輸系數(shù)低(10-7~10-10cm2s-1)等缺點嚴(yán)重限制了鋰離子電池性能的進一步提升。因

3、此，開發(fā)設(shè)計高比容量、高倍率性能和優(yōu)越循環(huán)性能的新型鋰離子電池負(fù)極材料至關(guān)重要。新型納米碳材料-石墨烯具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、超高的比表面積和很好的機械強度等優(yōu)點，被認(rèn)為是最有潛力的鋰離子電池負(fù)極材料[2]。是當(dāng)前科學(xué)領(lǐng)域研究的熱點。但是，石墨烯納米片層之間由于范德華力作用容易發(fā)生堆積或團聚等問題，并且常用的化學(xué)合成法得到的石墨烯一般具有較多的殘余含氧官能團；這些因素都會影響石墨烯作為負(fù)極材料的循環(huán)性能和倍率性能。因此，對石墨烯材料的結(jié)構(gòu)改進、表面官能團改性以及運用摻雜、復(fù)合等手段來改進石墨烯作為鋰離子電池負(fù)極材料的研究是當(dāng)今的熱點。本文就以

4、上幾個方面對最新的石墨烯基鋰離子電池負(fù)極材料研究進展進行了綜述，并對目前存在的問題和未來發(fā)展方向提出了自己的看法。石墨烯基材料儲鋰性能：1、原理解釋：材料的性能是由其結(jié)構(gòu)決定的。弄清楚性能背后的結(jié)構(gòu)性原理對實驗的可重復(fù)性意義重大，并對未來的繼續(xù)研究具有重要的指導(dǎo)和預(yù)測作用。因此，機理解釋方面的研究工作是非常重要的部分。Nasir[3]等人總結(jié)了前人有關(guān)石墨烯及其衍生材料在能量存儲和轉(zhuǎn)換方面的制備和應(yīng)用，得出石墨烯復(fù)合材料的性能不僅依靠單獨組分的性能，也與它們之間的相互作用有很大的關(guān)系；所以控制復(fù)合物中組分配比，密度，化學(xué)鍵的種類以及空間

5、結(jié)構(gòu)是很關(guān)鍵的。同時，該課題組也提出了一些建設(shè)性的看法，可以通過摻雜不同元素或者采用3D結(jié)構(gòu)以防止石墨烯重新堆疊，露出石墨烯表面；可以通過改善晶體與石墨烯之間的物理化學(xué)作用提高石墨烯復(fù)合材料在使用中的穩(wěn)定性等。Chananate[4]等人運用密度泛函理論對鋰原子在二維石墨烯表面的吸附和擴散進行了研究。發(fā)現(xiàn)當(dāng)二維石墨烯材料的維數(shù)向準(zhǔn)一維轉(zhuǎn)變時，出現(xiàn)了扶手椅或之字型邊緣。進一步研究發(fā)現(xiàn)，這種邊緣結(jié)構(gòu)不僅影響了石墨烯碳材料對鋰原子的吸收，還影響著鋰原子在石墨烯中的擴散。他們通過模擬預(yù)測了邊緣處鋰原子擴散通道的形成，且在此前提下鋰原子會向邊緣擴

6、散。而鋰原子沿邊緣通道擴散的能壘要比在石墨烯內(nèi)部低0.15eV,這就使得鋰原子的擴散速率將提高兩個數(shù)量級。因此，他們預(yù)測制備含有這種邊緣結(jié)構(gòu)的石墨烯材料用作鋰離子電池負(fù)極材料，將會大大提升其性能。2、石墨烯材料的結(jié)構(gòu)改進：石墨烯材料的結(jié)構(gòu)改進主要是達到石墨烯的多孔化。石墨烯多孔化一方面可以增加鋰離子的傳輸速度和增加電解液和電極材料的接觸面積，另一方面石墨烯多孔化也可以防止石墨烯片層之間的重新堆積。因此很多研究者開始通過各種不同的方法設(shè)計得到多孔石墨烯材料。Cai[5]等人利用模板法設(shè)計合成了一種超薄殼狀的空心石墨烯球。這種空心球具有24

7、8.3m2g-1的比表面積，孔徑約5nm且孔與孔之間相互聯(lián)通。該材料即使在5Ag-1的電流密度下充放電，比容量仍能達到249.3mAhg-1。在1Ag-1的電流密度下充放電100圈以后，其容量保持率達到97.1%。顯然，這種石墨烯材料的獨特結(jié)構(gòu)是其優(yōu)越性能的原因。BiweiXiao[6]等人在前人對石墨烯納米帶材料研究的基礎(chǔ)上，將目光放在控制碳納米管的展開程度上，具體探究了不同碳納米管的展開程度下，石墨烯負(fù)極材料的電化學(xué)性能。他們運用酸溶液解離的方法制備了從表面蝕刻的碳納米管到完全展開的石墨烯材料，用FESEM、TEM觀察樣品表面形貌，

8、并用恒電流充放電實驗對材料儲鋰性能進行探索。他們的結(jié)論是，在碳納米管展開初期，缺陷的增加導(dǎo)致了存儲能力增加，因此比容量呈上升趨勢；而到了后期，碳納米管表面的脫離導(dǎo)致了儲鋰能力的下降，比容量隨之下降。3、石墨