石墨烯在锂离子电池中的应用

1、石墨烯在锂离子电池中的应用摘要:锂离子电池中的应用争辩进展。引言 锂离子电池具有开路电压高、能量密度大、使用寿命长、无记忆效应、无污染以及自放电率小等优点，成为近年来争辩进展快速的一代二次电池之 压，性能稳定。但其比容量较小，每6 个碳原子与一个锂离子形成LiC 构造存储6372mAh/g池高比能量、高比功率的需求。2022到了广泛关注。这种单层碳原子厚度的二维碳材料具有大理论比外表积2600m2/g)和蜂窝状空穴构造，因而有较高的储锂力量。此外，材料本身的高电子迁移率(15000cm2/(Vs)，突出的导热性能(3000W/(mK)，良好的化学1.01TPa)，使其作为复合电极材料的基体更具

2、有突出优势。石墨烯的构造和性质石墨烯是只有一个碳原子层厚度的石墨，具有抱负的二维晶体构造，碳原子通过sp2杂化成键，与四周其他三个碳原子以CC单键相连，同时每个碳原子剩有一个垂直于石墨烯平面的pp电子在与平面垂直的方向形成轨图1 石墨烯构造示意图但是，二维晶体在热学上不稳定，透射电镜观看及电子衍射分析说明单层石以单片层存在。石墨烯只有一个碳原子厚度，并且是己知材料中最薄的一种，然而却格外结实坚硬，它比钻石还强硬，其强度比钢铁还高100倍。石墨烯也是目前己知导电性能最精彩的材料，其电子的运动速度到达了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。此外，石墨烯还具有很多优异的性能:如较高

3、的杨氏模等储能器件的电极材料。石墨烯在负极材料中的应用石墨烯作为负极材料的电化学性能在2022/石墨材料，石墨烯是以单片层单原子厚度的碳原子无序松散聚拢形成，这种构造有利于锂离子的插入，在片层双面都能储存锂离子，形成Li C 构造，理论2 6容量(744mAh/g)明显提高。争辩者进一步通过分子轨道理论计算觉察0.7nm石墨空穴中，这种层间距也能有效防止电解质进入片层间，发生形成SEI膜的不行逆的电化学性能。石墨烯的电化学性能通过化学复原法获得的石墨烯在溶剂中易团聚，导致片层的层数增加。这种致密积存的厚石墨烯片层阻碍了锂离子的集中作用，造成嵌锂/脱锂过程中的迟会导致材料的比容量降低。Honma

4、等制备出厚度为37nm(1020层)的石墨烯， 作为锂离子电池的负极材料在50mA/g540mAh/g的可20290mAh/g。实际应用价值。子的传输和集中，同时也因免去使用粘结剂和导电添加剂而简化了电池组装步1/3C率仅为50%，其缘由可能是石墨烯具有的大的比外表积导致其与电解质接触面积变大，形成SEI膜的不行逆反响造成材料的不行逆容量增大。通过热膨胀氧化石墨的方法能有效避开化学复原法造成的石墨烯团聚积存的现象，获得厚度约4层，比外表积为492.5m2/g的石墨烯。在100mA/g的电流密度下首次循环的脱锂比容量高达1264mAh/g，且循环性能良好，40次循环后容量848mAh/g论容量的

5、储锂机理还需进一步分析证明。可见，不同争辩者制备的石墨烯的电化学性能差距较大，也说明关于石墨烯SEI一种优异的基体材料在复合电极材料中可发挥更大的作用。石墨烯改性负极材料及过渡金属类为主的电极材料，这类材料具有高理论容量，但其缺点是在嵌锂/ 墨烯与被改性材料之间的协同效应。复合材料的构造以及电化学性能优势主要表达在以下几个方面:(1)石墨烯 (2)增加石墨烯的比外表积，从而增加石墨烯材料的储锂容量；(4)金属或金属氧化极材料剥落现象，从而改善材料的循环稳定性能。石墨烯在正极材料中的应用外表积的特别构造以及其优异的电子传输力量，能有效改善正极材料的导电性LiFePO170mAh/g，低本钱，低毒

6、性的优4点。但其电导率低(109 s/cm2)，锂离子集中差(10141016cm2/s)，导致高倍率充放电时容量衰减很快。将石墨烯与LiFePO 4电性能，可以提高材料的倍率性能。已有争辩人员通过水热法和共沉淀法制备LiFePO/LiFePO44没有很大改善。此外，有争辩者将LiFePO ( LFP)纳米颗粒、氧化石墨在溶液中4超声混合，喷雾枯燥后烧结获得LiFePO /石墨烯复合材料(LFP/G)。复合材料的4电镜图片(图2)说明石墨烯(G)很好地包覆在LiFePO2nm左右，约345层石墨烯堆叠，并形成连续的片层构造，且LiFePO245nm。由于合成材料的微观形貌构造更加规整，且相比于

7、其他碳材料改性LiFePO4电性能。这种材料经过进一步碳包覆后获得的碳包覆LiFePO /石墨烯复合材料4(LFP/(G+C)在60C高倍率条件下嵌锂比容量仍保持在70mAh/g左右。同时，复合1000次后，嵌锂比容量仍保持在110mAh/g。LFP/(G+C)复合材料LFP纳米颗粒局部TEM图结语石墨烯因其特别的片层构造，相比传统的碳负极材料，可以供给更多的储锂空间。作为锂离子电池的电极主要有以下几个优点：1石墨烯具有很高的电底；2石墨烯能有效地降低活性材料的尺寸，防止纳米颗粒的团聚，提高复应。目前在锂离子电池领域应用仍旧存在一些问题：1石墨烯制备过程中片层简洁积存，降低了理论容量；2首次循

8、环库伦效率较低，大量锂离子嵌入后无法脱出，降低电解质和正极材料的活性；3充放电平台较高，存在电压滞后现象；4锂离子的重复嵌脱使得石墨烯片层构造更加致密，锂离子嵌脱难度加大而使得循环容量降低。难，使其在锂离子电池领域的实际应用还有较大的距离。参考文献 24(3): 21072118NovoselovKS，GeimAK，MorozovSV，JiangD，ZhangY，DubonosSV，GrigorievaI V，Firsov A AScience，2022，306:6666693ChaeHK，Siberio-PrezDY，KimJ，GoYB，EddaoudiM，MatzgerAJ，OKeeffeM，Yaghi O M Nature，2022，427:5235274 Zhang Y B，Tan Y W，Stormer H L，Kim PNature，2022，438: 2012045SuzukiT，HasegawaT，MukaiSR，TamonHCarbon，2022，41:19331939 J，HosonoE，ZhouHS，KudoT，HonmaINanoLet，2022，8:227722827WangCY，LiD，TooCO，WallaceGGChemMater，2022，21:26042606 LianPCZhuXFLiang