石墨烯在电池和电容器中应用.docxVIP

石墨烯在电池及电容器中的应用前言石墨烯作为一种结构独特、性能优异的新型碳材料, 在电化学领域中具有重要的应用前景. 目前，石墨烯在电化学领域中的应用 (包括锂电池及电容)主要包括以下五个方面: 直接用作锂离子电池负极材料; 将石墨烯与其它储锂材料复合以提高其电化学性能; 石墨烯作为新型导电添加剂; 石墨烯涂层铝箔集流体;石墨烯在超级电容器上的应用.正文 1、石墨烯负极材料石墨烯可直接用作锂离子电池负极材料，并展现出优异的储锂特性. 石墨烯的比容量能够达到540mAh/g以上, 但不容乐观的是，石墨烯锂电池首次不可逆容量较高，这主要与石墨烯的制备过程有关, 可能含有大量含氧官能团和缺陷. 由下图可见, 不同方法合成的石墨烯决定其特性, 进而决定某在特定领域的应用.2、石墨烯复合锂电池材料石墨烯与电极材料的复合, 包括与正极材料和负极材料的复合. 在与负极复合的领域中, 与硅基或钛酸锂材料的复合研究具有一定意义, 因为上述两种材料在常规负极材料中具有较低的电子导电率. 在与正极材料的复合中, 磷酸铁锂材料较为常见, 这主要还是因为磷酸铁锂低电子电导率和锂离子扩散率限制了其倍率性能. 石墨烯具有较大的比表面积，较高的电导率和稳定的化学性质，在与磷酸铁锂材料复合时优于其它碳源. 无论正极材料复合还是负极材料复合, 均利用了石墨烯的桥连作用，形成了一个有效的三维导电混合传输网络。这与下文要说的石墨烯作为新型导电剂其实是一个道理, 之所以称之为复合锂电池材料, 其主要是针对材料这一角度, 具体来说就是在出货前将导电剂加入到了活性材料中. 区别于新型导电剂, 其主要是指电池厂家在合浆过程中加入.3、石墨烯新型导电添加剂正极活性材料多为过渡金属氧化物或者过渡金属磷酸盐，它们多为半导体材料或导电性较差，必须要加入导电剂来改善导电性；负极石墨材料的导电性稍好，但是在多次充放电中，石墨材料的膨胀收缩，使石墨颗粒间的接触减少，间隙增大，甚至有些脱离集电极，成为死的活性材料，不再参与电极反应，所以也需要加入导电剂保持循环过程中的负极材料导电性的稳定. 常用导电剂Super P(30nm)与活性材料为点接触, 而采用石墨烯为导电剂其与活性物质的接触则为面接触(见下图所示), 点与面的双结合, 更容易形成稳定的导电网络. 因此石墨烯可以与其它导电剂混合使用作为锂离子电池导电剂. 4、石墨烯功能涂层通常在铝箔表面涂覆一种或多种碳材料混合物来改善集流体与活性材料的接触面积以及粘结能力,但由于常规碳材料粒径的影响,通常导电涂层厚度一般为2-5微米,致使电池能量密度降低,并且常规碳材料与铝箔的接触为点与面的接触,接触面受到一定的影响,石墨烯是一种新型的具有二维纳米结构的碳材料,从其结构和物理性能分析,在涂层厚度双面达到0.2微米以上时,石墨烯导电涂层的综合性能就达到普通涂层水平(见下图).5、石墨烯在超级电容器电极材料中的应用单层石墨烯材料,其整个表面可以形成双电层,但是在形成宏观聚集体过程中,石墨烯片层之间互相杂乱叠加,使得形成的有效双电层面积减少,如果其表面能够完全释放,其可以获得远高于多孔碳的比电层.尽管目前的研究在实际应用上有一定的差距,但是石墨烯与活性炭的复合展现出其在超级电容器上的应用潜力.结论石墨烯有着广泛用途,也是目前研究较热的课题,然而在电化学领域,具体来说石墨烯在锂电池上的应用, 虽然我们只简单阐述了五个方面,但是我们认为其作为新型导电添加剂和导电涂层具有潜在意义.