石墨烯在锂离子电池材料性能优化中的应用.pdfVIP

第 26 卷第 4 期 中国有色金属学报 2016 年 4 月 Volume 26 Number 4 The Chinese Journal of Nonferrous Metals April 2016 文章编号：1004-0609(2016)-04-0807-14 石墨烯在锂离子电池材料性能优化中的应用 1 2 2 1 1 曹 亮 ，王安安 ，艾立华 ，贾 明 ，刘业翔 (1. 中南大学 冶金与环境学院，长沙 410000 ； 2. 湖南艾华集团股份有限公司，益阳 413000) 摘 要：结合当前利用石墨烯材料特殊二维结构、优良物理化学特性来改善锂离子电池较低能量密度、较差循环 性能等缺陷的研究热点，综述石墨烯材料及石墨烯复合材料在锂离子电池正极、负极材料中的研究进展，指出现 有电极材料的缺陷和不足，讨论作为锂离子电池电极的石墨烯复合材料结构与功能调控的重要性，并简要评述石 墨烯在相关领域中所面临的挑战和发展前景。 关键词：石墨烯；锂离子电池；电极材料；石墨烯复合电极；储能材料 中图分类号：TM912.9 ；O646.54 文献标志码：A 全球环境污染与能源危机的日趋严重，迫使各国 足球状得到的，一维的碳纳米管是由石墨烯卷曲而成， 努力寻找可持续发展的新型能源及能量储运系统以替 三维结构的石墨则被认为是石墨烯片层的紧密堆 代传统的化石燃料，以二次电池为代表的高效、实用、 叠[4] ，如图 1 所示。石墨烯的发现在充实了碳材料家 “绿色”(低污染或零污染) 的能量储运体系已成为当前 族的同时，也充实了储能材料优化及改性的方法体系。 的关注焦点与研究热点。在新体系的研究过程中，学 由于石墨烯具有高导电性、高导热性、高比表面积、 术界及产业界初步建立和完善了储能材料与器件的评 高强度和刚度等诸多优良特性，在储能、光电器件、 测体系，普遍达成以高功率密度、高能量密度作为衡 化学催化等诸多领域获得了广泛的应用，特别是在未 量新型的储能体系，特别是二次电池性能的重要指标 来实现基于石墨烯材料的高能量密度、高功率密度应 的共识。然而，与评测系统的飞速发展形成鲜明对比 用有着非常重要的理论和工程价值。本文作者就石墨 的是储能材料体系的缓慢发展。从 WHITTINGHAM[1] 烯材料应用于锂离子电池领域的研究进展情况进行了 首次提出锂电池的概念以来，经过长达近 40 年的发 系统的分析和综述。 展，虽然一系列新的、具有重要应用前景的电池材料 理想的石墨烯是真正的表面性固体，其所有碳原 体系层出不穷，但必须正视的是这些新型电极材料还 子均暴露在表面，具有用作锂离子电池正负极材料 远没有发挥出其理论水平。因此当前储能体系性能的 一大核心问题在于发现性能优异的储能材料或者修饰 材料以保证材料性能的最大发挥。当一种新型的先进 储能材料被发现时，科技工作者苦恼的往往不是将其 制备出来，而是怎样将该材料的性能尽量发挥出来。 石墨烯材料的问世给解决这类问题带来了曙光。 2004 年， Manchester 大学的 GEIM 等[2]首次用 机械剥离法获得了单层或薄层的新型二维原子晶 体——石墨烯。石墨烯是一种结构独特并且性能优异 图 1 石墨烯的结构及由石墨烯为基本单元构筑的 sp2 杂化 的新型材料，它是由碳原子以 sp2 杂化连接的单原子 碳质材料[3] 层二维蜂窝状结构，被认为是富勒烯、碳纳米管和石 Fig. 1 Structure of grapheme (a) and sp2 hybrid carbon 墨的基本结构单元[3]