石墨烯正極材料和負(fù)極材料在鋰電池中的應(yīng)用

來源：存能電氣  日期：2019-07-08 14:26  瀏覽量：次

　　石墨烯正極材料和負(fù)極材料在鋰電池中的應(yīng)用。石墨烯被認(rèn)為是理想的鋰離子電池電極材料。石墨烯的使用不僅可以提高鋰電池的電化學(xué)性能，也有望提高電極材料乃至電池整體的熱傳導(dǎo)性能。

　　石墨烯用做鋰電池負(fù)極材料，相對(duì)于傳統(tǒng)炭系材料并無性能上的明顯優(yōu)勢(shì)，而且納米材料應(yīng)用困難，成本高昂，發(fā)展前景堪憂。眾所周知石墨烯具有高導(dǎo)電性、高導(dǎo)熱性、高比表面積、高強(qiáng)度和剛度等諸多優(yōu)良特性，在儲(chǔ)能、光電器件、化學(xué)催化等諸多領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。

　　石墨烯鋰電池在正極材料中的應(yīng)用

　　鋰電池的正極材料例如常用LiCoO2、LiMn2O4和LiFePO4都是不良的電子導(dǎo)體，它們的電導(dǎo)率分別為10-4、10-6和10-9Scm-1。在目前現(xiàn)有的鋰離子電池體系中，電池使用的正負(fù)極材料本身具有較低的離子與電子電導(dǎo)率，這是影響和限制鋰電池充放電循環(huán)和倍率性能的主要因素。

　　所以為了充放電過程中充分有效利用正極材料同時(shí)能提高鋰電池的倍率性能，要在正極材料中加入導(dǎo)電劑，傳統(tǒng)的導(dǎo)電劑一般是石墨。而石墨烯本身具有非常高的電子傳導(dǎo)率，用石墨烯作為導(dǎo)電添加劑是其在鋰電池中最直接，也是最廣泛的應(yīng)用。

　　石墨烯三元正極材料和導(dǎo)電漿料是動(dòng)力電池的核心材料，直接關(guān)系著動(dòng)力電池的性能。石墨烯改性三元材料在倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)三元材料，能夠大幅提高新能源汽車的續(xù)航里程。三元正極材料的投產(chǎn)，將大大提高鋰電池的倍率性能，降低了鋰電池的內(nèi)阻，進(jìn)而從材料上解決電池續(xù)航時(shí)間短的瓶頸問題，可滿足國(guó)內(nèi)國(guó)際動(dòng)力汽車鋰電池亟需的技術(shù)及規(guī)模需求。

　　石墨烯作為導(dǎo)電劑的問題

　　對(duì)于石墨烯導(dǎo)電劑的實(shí)際應(yīng)用，需要綜合考慮石墨烯對(duì)電子電導(dǎo)的“面-點(diǎn)”促進(jìn)作用和對(duì)離子傳導(dǎo)的“位阻效應(yīng)”；針對(duì)導(dǎo)電劑用量和最終電池的能量/功率密度綜合考慮設(shè)計(jì)電極的厚度。對(duì)于LFP體系的鋰離子電池，由于石墨烯對(duì)鋰離子傳輸?shù)挠绊懛浅?qiáng)，所以需要特別注意電極的厚度。

　　石墨烯在負(fù)極材料中的應(yīng)用

　　目前鋰電池常用的負(fù)極材料是石墨，用石墨烯作負(fù)極材料的優(yōu)勢(shì)有：

　?。?）石墨烯導(dǎo)電性能好，耐腐蝕，用作負(fù)極材料可以增強(qiáng)活性物質(zhì)與集流體的導(dǎo)電性；

　?。?）石墨烯片層作為單層二維結(jié)構(gòu)，原則上不存在體積膨脹，所以結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，充放電快，循環(huán)性能好；

　?。?）納米顆粒原位法合成于石墨烯表面形成基復(fù)合材料，通過控制其生長(zhǎng)顆粒的尺寸，從而縮短鋰離子和電子擴(kuò)散距離，改善材料的倍率性能；

　?。?）納米顆粒均勻覆蓋在石墨烯表面，一定程度能防止石墨烯片層聚合和電解質(zhì)浸入石墨烯片層，導(dǎo)致電極材料失效。

　　因此，近兩年來石墨烯基納米復(fù)合材料，如石墨烯/碳納米管、石墨烯/碳60（C60）、石墨烯/無機(jī)納米粒子等復(fù)合材料被廣泛地應(yīng)用于鋰電池負(fù)極材料研究。通過納米粒子與石墨烯之間的有效復(fù)合，可有效阻止石墨烯片之間的疊合/團(tuán)聚，有利于鋰離子的嵌脫。

　　石墨烯具有大的比表面積、良好的機(jī)械性能和導(dǎo)電性、高的化學(xué)穩(wěn)定性，使其有望解決鋰離子電池面臨的有效比容量低、倍率性能差（大電流充放電）、循環(huán)壽命短、一定條件下安全性能差等問題。