石墨烯及其复合材料在锂离子电池负极材料中的应用

吉功涛(江苏省邗江中学，江苏扬州225009)

石墨烯及其复合材料在锂离子电池负极材料中的应用

吉功涛(江苏省邗江中学，江苏扬州225009)

石墨烯因其独特的二维空间网络结构[1]，有极大的比表面积，良好导电性能，是优异的电极材料。可通过与金属氧化物复合的方法将其机械性能和导电性能的优势最大化。本文对石墨烯的结构、性质、制备方法及其在锂离子电池负极材料方向上的应用进行了综述，提出其发展问题并对其发展前景进行展望。

石墨烯;锂离子电池;负极材料

1985年克罗托、科尔和斯莫利发表关于发现富勒烯的论文，有关石墨微观结构的研究进入了人们的视野，此后1991年饭岛澄男成功制备碳纳米管推动了碳纳米管相关研究的发展，至2004年Geim、Novoseiov用机械剥离法成功制备石墨烯，学术界又掀起了针对石墨烯的研究热潮[1-2]。如今，石墨烯的应用种类越来越多，研究越来越深入。将石墨烯及其复合材料在锂离子电池负极中应用是现在一种前景和可行性都非常优秀的方案。

1 石墨烯的空间结构及性质

石墨烯是由单层碳原子以sp2杂化形式成键形成的具有蜂窝状六边形结构的二维原子晶体[2]。它能承载远大于其自身重量的物体，实验数据显示1m2石墨烯能承受4kg的重量而其面质量仅为0.77mg[2]足以证明其具有优异的机械性能,同时石墨烯理论比表面积达到2630m2/g[3]。以上石墨烯的性质体现其在复合材料领域有很大的应用价值。石墨烯导电性能良好，其导电率能达到106S/m[4]，可作为良好的电极材料。此外，石墨烯还具有优良的导热性以及透光性。其透光率达到97.7%，导热率为5×103W/mk，理论导热性能是铜的十倍多[3-5]，足以支持其在光学、热学领域的应用。

2 石墨烯的制备方法

机械剥离法是获取石墨烯成本最低的方法，通过对高定向热解石墨进行反复剥离获取石墨烯，运用此法得到的石墨烯能满足实验室需要，在本征石墨烯研究中应用广，但是受限于其制备规模，这种方法很难满足石墨烯的商业需求。

湿化学合成法主要通过化学手段在液体条件下分离氧化石墨以获取石墨烯。原理是对氧化石墨表面含氧官能团进行修饰使之在液体中形成氧化石墨烯胶体，再通过化学还原制得石墨烯。其产品适于应用在膜状石墨烯复合材料，可以实现大规模制备。但由于其产品大多存在结构缺陷，此法的应用前景受到限制。

金属外延生长法和化学气相沉积法原理类似，都是利用衬底表面碳原子的扩散将碳原子组成石墨烯岛片并连接成长。区别在于前者在高真空条件下且采用昂贵的单晶金属衬底，后者在普通大气压力下且金属衬底多为多晶箔片。后者较前者大大降低了成本，更符合石墨烯规模化发展的趋势。2009年美国奥斯汀大学采用低压化学气相沉积法和固体铜箔衬底成功制备出了石墨烯薄膜，标志着铜成为更具价值的衬底选择[3]。后期液态铜和柔性金属衬底的采用逐步将石墨烯规模化连续制备变为可能。从制备成本，制备规模以及制备速度等多方面考虑当前化学气相沉积法有望实现石墨烯的规模化制备。

此外，还有氧化石墨热膨胀法、有机小分子合成法等[3]石墨烯制备方法。

3 石墨烯在锂电池负极材料中的直接应用

石墨烯拥有良好的导电性能，可直接作为锂电池负极材料。首先热还原石墨烯材料作为锂离子负极材料时，由于具有大量的微孔缺陷，其可逆储锂容量得到提升，它的比容量可以达到540 mA·h/g这个数值高于商业化锂离子电池石墨负极372 mA·h/g的理论比容量，且在掺入富勒烯和碳纳米管后数值更高，远大于传统石墨负极材料。其次石墨烯面内结构的层间距大于石墨，有利于锂离子的嵌入和脱嵌，可以提高电池的充放电速率。但是石墨烯直接作为锂离子电池负极材料性能不稳定，其容量在循环后会发生一定程度的衰减，原因是它在高充放电倍率下表面会生成固体电化学界面膜。此外多次循环后其片层易堆积使之丧失高储锂空间的优势。再结合石墨烯成本过高的现状，其直接作为锂离子电源负极的方法实不可取[4]。

4 石墨烯复合材料在锂离子电池负极材料中的应用

石墨烯可与多种材料复合作为锂离子电池负极，其与硅基，锡基纳米颗粒材料复合时能起到互补的作用，采用石墨烯包覆材料能更好的阻止纳米颗粒的团聚，在结构上石墨烯的柔性和其纳米层之间存在的间隙可在锂离子电池的充放电过程中有效减缓体积变化。石墨烯能通过增强硅纳米材料的电子导电性来提高材料的充放电速率，同时石墨烯在与SnO2复合后能实现降低石墨烯堆积程度的同时保持硅纳米颗粒之间的间隙加快锂离子的扩散来进一步增加电池的充放电速率。在以上多种采用复合材料带来的优势下这种电极材料的容量获得了很大的提升，实验数据表明在10Ag-1放电条件下其容量达到640mAh/g。此外通过石墨烯的吸附作用此种电极可有效降低循环后的容量损失。实验中经过10Ag-1放电条件下200次循环后其容量保持率达到72%[5]。在电池容量，充放电速率等多方面此种通过过渡金属氧化物或有机分子纳米颗粒采用石墨烯包覆作为锂离子电池负极的方法性能更优秀，是研究的主攻方向。目前因受限于石墨烯产能的不足，其发展趋势受到限制。

综上所述，石墨烯多种性能十分优异，在与过渡金属氧化物复合后作为锂离子电池负极的应用有着很大的发展空间。当下石墨烯相关应用研究的势头极为迅猛，只是受限于石墨烯规模化标准化量产无法实现的现状，最终得不到快速有成效的发展。我认为我们仍需从源头开始，着手改进石墨烯的制备方法而非一心投入于研究石墨烯相关应用。只有提升石墨烯的产能，实现大规模量产，才能使石墨烯相关应用的研究和商业化顺利进行。

[1]陈坚，徐晖.石墨烯及其纳米复合材料作为锂离子电池负极的研究进展[J].材料导报A：综述篇，2017(A),31:5.

[2]胡晓阳.碳纳米管和石墨烯的制备及应用研究[D].郑州大学，2013.

[3]俞会根，赵亮，盛军.石墨烯及其复合材料在锂离子电池中的应用[J].电源技术，2014.6,38:6.

[4]曹亮，王安安，艾立华，贾明，刘业翔.石墨烯在锂离子电池材料性能优化中的应用[J].中国有色金属学报，2016.4,26:4.

[5]王海腾.基于石墨烯的锂离子电池负极材料的研究[D].北京交通大学，2013.

姓名：吉功涛出生年月：2000年8月性别：男籍贯：江苏东台研究方向：材料学：纳米材料--石墨烯。