石墨烯在鋰離子電池中的應(yīng)用

1、石墨烯在鋰離子電池中的應(yīng)用摘要:鋰離子電池中的應(yīng)用爭辯進展。引言 鋰離子電池具有開路電壓高、能量密度大、使用壽命長、無記憶效應(yīng)、無污染以及自放電率小等優(yōu)點，成為近年來爭辯進展快速的一代二次電池之 壓，性能穩(wěn)定。但其比容量較小，每6 個碳原子與一個鋰離子形成LiC 構(gòu)造存儲6372mAh/g池高比能量、高比功率的需求。2022到了廣泛關(guān)注。這種單層碳原子厚度的二維碳材料具有大理論比外表積2600m2/g)和蜂窩狀空穴構(gòu)造，因而有較高的儲鋰力量。此外，材料本身的高電子遷移率(15000cm2/(Vs)，突出的導(dǎo)熱性能(3000W/(mK)，良好的化學(xué)1.01TPa)，使其作為復(fù)合電極材料的基體更具

2、有突出優(yōu)勢。石墨烯的構(gòu)造和性質(zhì)石墨烯是只有一個碳原子層厚度的石墨，具有抱負的二維晶體構(gòu)造，碳原子通過sp2雜化成鍵，與四周其他三個碳原子以CC單鍵相連，同時每個碳原子剩有一個垂直于石墨烯平面的pp電子在與平面垂直的方向形成軌圖1 石墨烯構(gòu)造示意圖但是，二維晶體在熱學(xué)上不穩(wěn)定，透射電鏡觀看及電子衍射分析說明單層石以單片層存在。石墨烯只有一個碳原子厚度，并且是己知材料中最薄的一種，然而卻格外結(jié)實堅硬，它比鉆石還強硬，其強度比鋼鐵還高100倍。石墨烯也是目前己知導(dǎo)電性能最精彩的材料，其電子的運動速度到達了光速的1/300，遠遠超過了電子在一般導(dǎo)體中的運動速度。此外，石墨烯還具有很多優(yōu)異的性能:如較高

3、的楊氏模等儲能器件的電極材料。石墨烯在負極材料中的應(yīng)用石墨烯作為負極材料的電化學(xué)性能在2022/石墨材料，石墨烯是以單片層單原子厚度的碳原子無序松散聚攏形成，這種構(gòu)造有利于鋰離子的插入，在片層雙面都能儲存鋰離子，形成Li C 構(gòu)造，理論2 6容量(744mAh/g)明顯提高。爭辯者進一步通過分子軌道理論計算覺察0.7nm石墨空穴中，這種層間距也能有效防止電解質(zhì)進入片層間，發(fā)生形成SEI膜的不行逆的電化學(xué)性能。石墨烯的電化學(xué)性能通過化學(xué)復(fù)原法獲得的石墨烯在溶劑中易團聚，導(dǎo)致片層的層數(shù)增加。這種致密積存的厚石墨烯片層阻礙了鋰離子的集中作用，造成嵌鋰/脫鋰過程中的遲會導(dǎo)致材料的比容量降低。Honma

4、等制備出厚度為37nm(1020層)的石墨烯， 作為鋰離子電池的負極材料在50mA/g540mAh/g的可20290mAh/g。實際應(yīng)用價值。子的傳輸和集中，同時也因免去使用粘結(jié)劑和導(dǎo)電添加劑而簡化了電池組裝步1/3C率僅為50%，其緣由可能是石墨烯具有的大的比外表積導(dǎo)致其與電解質(zhì)接觸面積變大，形成SEI膜的不行逆反響造成材料的不行逆容量增大。通過熱膨脹氧化石墨的方法能有效避開化學(xué)復(fù)原法造成的石墨烯團聚積存的現(xiàn)象，獲得厚度約4層，比外表積為492.5m2/g的石墨烯。在100mA/g的電流密度下首次循環(huán)的脫鋰比容量高達1264mAh/g，且循環(huán)性能良好，40次循環(huán)后容量848mAh/g論容量的

5、儲鋰機理還需進一步分析證明?？梢姡煌瑺庌q者制備的石墨烯的電化學(xué)性能差距較大，也說明關(guān)于石墨烯SEI一種優(yōu)異的基體材料在復(fù)合電極材料中可發(fā)揮更大的作用。石墨烯改性負極材料及過渡金屬類為主的電極材料，這類材料具有高理論容量，但其缺點是在嵌鋰/ 墨烯與被改性材料之間的協(xié)同效應(yīng)。復(fù)合材料的構(gòu)造以及電化學(xué)性能優(yōu)勢主要表達在以下幾個方面:(1)石墨烯 (2)增加石墨烯的比外表積，從而增加石墨烯材料的儲鋰容量；(4)金屬或金屬氧化極材料剝落現(xiàn)象，從而改善材料的循環(huán)穩(wěn)定性能。石墨烯在正極材料中的應(yīng)用外表積的特別構(gòu)造以及其優(yōu)異的電子傳輸力量，能有效改善正極材料的導(dǎo)電性LiFePO170mAh/g，低本錢，低毒

6、性的優(yōu)4點。但其電導(dǎo)率低(109 s/cm2)，鋰離子集中差(10141016cm2/s)，導(dǎo)致高倍率充放電時容量衰減很快。將石墨烯與LiFePO 4電性能，可以提高材料的倍率性能。已有爭辯人員通過水熱法和共沉淀法制備LiFePO/LiFePO44沒有很大改善。此外，有爭辯者將LiFePO ( LFP)納米顆粒、氧化石墨在溶液中4超聲混合，噴霧枯燥后燒結(jié)獲得LiFePO /石墨烯復(fù)合材料(LFP/G)。復(fù)合材料的4電鏡圖片(圖2)說明石墨烯(G)很好地包覆在LiFePO2nm左右，約345層石墨烯堆疊，并形成連續(xù)的片層構(gòu)造，且LiFePO245nm。由于合成材料的微觀形貌構(gòu)造更加規(guī)整，且相比于

7、其他碳材料改性LiFePO4電性能。這種材料經(jīng)過進一步碳包覆后獲得的碳包覆LiFePO /石墨烯復(fù)合材料4(LFP/(G+C)在60C高倍率條件下嵌鋰比容量仍保持在70mAh/g左右。同時，復(fù)合1000次后，嵌鋰比容量仍保持在110mAh/g。LFP/(G+C)復(fù)合材料LFP納米顆粒局部TEM圖結(jié)語石墨烯因其特別的片層構(gòu)造，相比傳統(tǒng)的碳負極材料，可以供給更多的儲鋰空間。作為鋰離子電池的電極主要有以下幾個優(yōu)點：1石墨烯具有很高的電底；2石墨烯能有效地降低活性材料的尺寸，防止納米顆粒的團聚，提高復(fù)應(yīng)。目前在鋰離子電池領(lǐng)域應(yīng)用仍舊存在一些問題：1石墨烯制備過程中片層簡潔積存，降低了理論容量；2首次循

8、環(huán)庫倫效率較低，大量鋰離子嵌入后無法脫出，降低電解質(zhì)和正極材料的活性；3充放電平臺較高，存在電壓滯后現(xiàn)象；4鋰離子的重復(fù)嵌脫使得石墨烯片層構(gòu)造更加致密，鋰離子嵌脫難度加大而使得循環(huán)容量降低。難，使其在鋰離子電池領(lǐng)域的實際應(yīng)用還有較大的距離。參考文獻 24(3): 21072118NovoselovKS，GeimAK，MorozovSV，JiangD，ZhangY，DubonosSV，GrigorievaI V，F(xiàn)irsov 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