石墨烯在锂电池电极材料中的应用有哪些?

石墨烯在锂电池电极材料中的应用有哪些?
石墨烯在锂电池电极材料中的应用有哪些?
石墨烯是近年来研究较多的一种新型材料,具有良好的导电性能和倍率性能,把其应用于锂离子电池负极材料中,可以大幅度提高负极材料的电容量和大倍率充放电性能。石墨烯是一种单原子层厚度的石墨材料,具有独特的二维结构和优异的电学尧力学以及热学性能。理想的石墨烯其所有碳原子均暴露在表面,是真正的表面性固体, 拥有超大的比表面积(2630m·2 g -1 ),同时具有良好的导电性和导热性,是很有潜力的储能材料。

在锂离子电池应用方面,石墨烯材料有其独特的优势:
(1) 石墨烯具有优良的导电和导热特性,亦即,本身已具有了良好的电子传输通道,而良好的导热性能也确保了其在使用中的稳定性;
(2)聚集形成的宏观电极材料中,石墨烯片层的尺度在微纳米量级,远小于体相石墨,使得Li+在石墨烯片层之间的扩散路径较短;而且片层间距也大于结晶性良好的石墨,更有利于Li+的扩散传输。
(3)因此, 石墨烯基电极材料同时具有良好的电子传输通道和离子传输通道, 非常有助于锂离子电池功率性能的提高。通过优化石墨烯复合材料的微观结构,比如夹层结构或者是石墨烯片层包覆结构,就能够进一步提高材料的电化学性能。在正极复合材料当中,石墨烯形成的连续三维导电网络可有效提高复合材料的电子及离子传输能力。此外,相比传统导电添加剂,石墨烯导电剂的优势在于能用较少的添加量,达到更加优异的电化学性能。

现有的研究表明,纯石墨烯材料由于首次循环库仑效率低、充放电平台较高以及循环稳定性较差,并不能取代目前商用的碳材料直接作为锂离子电池负极材料使用。这主要是由于石墨烯较大的比表面积会导致材料与电解质接触面积大,材料中存储的锂离子与电解质分子会发生不可逆反应形成 SEI 膜。同时,碳材料表面残余的含氧基团与锂离子发生不可逆副反应,填充碳材料结构中的储锂空穴,造成可逆容量的进一步下降。此外,石墨烯片层极易聚集堆积成多层结构,从而丧失了其因高比表面积而具有的高储锂空间的优势。但石墨烯可以作为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。

由于将石墨烯应用于锂离子电池可以解决传统锂电池能量密度和功率密度难以兼得的问题,石墨烯在锂离子电池中应用是一个非常有前途的方向。石墨烯可以在多个方面应用于锂电池中,比如石墨烯复合负极材料,再如硅碳复合负极材料;也可以作为锂电池正负极材料的导电添加剂,还可以涂覆于铝箔集流体上,构成石墨烯功能涂层铝箔石。近年来,我国已有不少企业从事这方面的研究,并取得了突破性进展。为我国新能源发展做出重大的贡献。

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