石墨烯材料在锂离子电池和锂硫电池中的应用

来源：存能电气  日期：2019-09-30 11:13  浏览量：次

　　石墨烯材料在锂离子电池和锂硫电池中的应用。石墨烯作为一种新型纳米材料,以其特殊的二维单层延伸碳结构、出色的导电性、导热性、韧性及强度等优异性能,在功能材料、能源等多个领域有着广泛的应用前景。石墨烯的加入对不同电极材料导电性提高和对锂离子电池电化学性能的改善，尤其是对大电流放电性能和倍率性能的改善。

　　石墨烯材料在锂离子电池中的应用

　　锂离子电池具有能量密度高、可逆容量大、开路电压大、使用寿命长等特点。在对锂离子电池电极材料的研究过程中，一些碳元素的同素异形体及混合物可以作为导电性能优良的稳定材料，常被用于开发新型锂离子电池负极材料的研究。

　　石墨烯由于其高电导率、超大比表面积、高化学稳定性等优异的物理和化学特性,在锂离子电池中进行了广泛研究,石墨烯由于其质量轻、导电性好、韧性高等优势成为材料研究层面的一大突破。石墨烯在电极材料研究领域开发潜力巨大。按照应用领域的不同，石墨烯材料在锂离子电池中的应用大体可分为三类：石墨烯在正极材料中的应用、在负极材料中的应用和在锂离子电池中的其他应用。

　　石墨烯将LiFePO4半包裹后形成的材料可以提高LiFePO4材料的导电性能，但将其全包裹后离子传输效率下降，并推测可能是因为锂离子无法通过石墨烯的六元环结构。

　　目前石墨烯负极复合材料主要有：过渡金属氧化物/石墨烯复合材料和石墨烯改性硅基材料等。这一类复合材料的研究方向是利用石墨烯材料的导电性能和结构特点辅助纳米材料，改善其锂离子传输速率，从而提高锂离子电池的倍率性能，弥补原材料的缺陷和不足。

　　鉴于其优异的导电性能，石墨烯材料可以作为导电添加剂优化锂离子电池的电导率。

　　石墨烯材料在锂硫电池中的应用

　　在传统锂离子电池中，正极材料因“插层式”的储锂机制导致其容量普遍较低，无法满足快速增长的市场需求。因此，新型高能量密度二次电池的探索和研发成为了储能领域的研究热点，其中其中锂硫电池就是其中之一。

　　为了获得高性能的锂硫电池，研究者对硫正极进行了多种手段的复合与改性研究，设计并制备了一系列具有新颖结构和优异性能的复合硫正极材料。其中，碳材料因其导电性高、结构丰富、比表面积大等优势而得到了广泛应用，而石墨烯这一新型碳材料在提升锂硫电池性能方面有优异表现。

　　石墨烯是优异的电子导体，同时具有机械强度高、比表面积大等优点，同时化学改性的石墨烯及石墨烯衍生物具有一系列能为负载提供诸多活性位点的表面官能团，因此石墨烯在复合硫正极材料中得到了广泛的应用。一方面，石墨烯材料被用作硫正极的导电载体，弥补硫导电性差的缺陷；另一方面，通过合理的结构设计与表面改性，石墨烯还能够抑制多硫化物的溶解。

　　石墨烯锂电池材料极高的电导率可以弥补硫颗粒导电性差的问题，因此石墨烯材料多被设计成负载硫单质的导电基体或者导电网络，比如石墨烯泡沫结构可实现石墨烯与硫在纳米尺度的均匀复合，能够为硫提供快速与高效的电子传输通道，同时纳米孔还能够有效束缚多硫化物。

　　锂硫电池由于其理论比容量、比能量高，原料价廉易得，在未来电化学储能领域中将极具竞争力，如果通过石墨烯的应用能够改善锂硫电池实际容量低、循环性能差和信率性能不佳等缺点，在不远的将来，锂硫电池的表现可能会给我们带来更多惊喜。

　　总结：以上就是石墨烯材料在锂离子电池和锂硫电池中的应用，与传统块体材料相比，石墨烯材料具有优越的导电性能、导热性能、韧性以及极为轻薄的二维结构，使其在锂离子电池新型电极材料的开发研究领域具有广阔的前景。