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簡介石墨烯負極材料在鋰電池中的用途和發(fā)展

鉅大LARGE  |  點擊量:496次  |  2023年07月29日  

石墨烯因其高導(dǎo)電、導(dǎo)熱效應(yīng)等而備受儲能領(lǐng)域的關(guān)注,其復(fù)合材料用作鋰離子電池負極材料是顯著提升了鋰離子電池的電化學(xué)性能。


眾所周知,電池的能量密度和壽命是兩個最重要的評價指標,而鋰離子電池又是當今能量密度最高的二次電池。但作為動力鋰電池的工程需求,它要一個較大的能量密度提升過程,這就給了某些投機者的鉆營空間,還起了個好聽的名字石墨烯鋰離子電池。目前成熟鋰離子電池制造重要是采用石墨作為負極材料。


石墨烯負極材料


石墨烯由于其獨特的二維結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的電子傳輸能力以及超大的比表面積等優(yōu)勢極有潛力替代石墨成為新一代鋰離子電池負極材料。石墨烯的儲鋰機制與其他碳材料相似,充電時鋰離子從正極脫出經(jīng)過電解質(zhì)嵌入碳材料層間形成形成Li2C6,放電時鋰離子脫出返回正極。


因此較之石墨,以石墨烯為負極更加有利于提高電池性能。從石墨烯電池的概念提出以來,很多學(xué)術(shù)研究成果表明石墨烯鋰離子電池可逆容量可達500mAh/g以上,以及具有出色的倍率性能。

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石墨烯負極材料在鋰離子電池中的用途


與傳統(tǒng)鋰離子電池負極材料相比較,石墨烯作為鋰離子電池負極材料時,可有效提高相應(yīng)電池的比容量,增強電極和電解液之間的導(dǎo)電接觸,改善其充/放電倍率性能。同時,石墨烯柔韌的單原子層二維結(jié)構(gòu)也可有效抑制電極材料在充放電過程中發(fā)生體積變化引起的材料膨脹、粉化等,從而提高電池的循環(huán)穩(wěn)定性。


此外,通過化學(xué)氧化插層剝離再還原法合成的化學(xué)還原石墨烯表面含有特定的含氧化學(xué)基團,如羧基、羥基和環(huán)氧基等,可為其結(jié)構(gòu)和表面功能改性以及與其他材料的復(fù)合供應(yīng)豐富的反應(yīng)和鍵合位點,也為三維超結(jié)構(gòu)石墨烯基復(fù)合材料的設(shè)計和合成供應(yīng)多種可能的途徑。


由于石墨烯片之間較強的π-π疊合用途,石墨烯可團聚形成類似于石墨的層狀結(jié)構(gòu),進而影響鋰離子的嵌脫。這也證明純石墨烯并非是一種理想的鋰離子電池電極材料。


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/無機納米粒子等復(fù)合材料被廣泛地應(yīng)用于鋰離子電池負極材料研究。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/團聚,有利于鋰離子的嵌脫。

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石墨烯負極材料在鋰離子電池中的發(fā)展


1.國際石墨烯發(fā)展現(xiàn)狀。目前國際上從事石墨烯產(chǎn)業(yè)研究的國家包括英國、美國、歐盟、韓國和日本等,各國發(fā)展狀況不同。


英國:作為石墨烯的誕生地,英國在石墨烯的基礎(chǔ)研發(fā)方面居于全球領(lǐng)先地位,但從事商業(yè)開發(fā)的石墨烯公司較少,因此在石墨烯應(yīng)用方面并非其強項。


美國:美國對石墨烯的研究投入較早,石墨烯產(chǎn)業(yè)化和應(yīng)用進程相對較快,其產(chǎn)業(yè)布局也呈現(xiàn)多元化,產(chǎn)業(yè)鏈相比較較完整。


歐盟:歐盟的石墨烯研究起步早且系統(tǒng)性強,并將石墨烯研究提升至戰(zhàn)略高度,資金支持力度大,基礎(chǔ)研究扎實。


韓國:韓國石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展產(chǎn)學(xué)研結(jié)合緊密,在基礎(chǔ)研究及產(chǎn)業(yè)化方面發(fā)展較為均衡,整體發(fā)展速度較快。


日本:日本依托其良好的碳材料產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ),是全球最先進行石墨烯研究的國家之一,產(chǎn)學(xué)研結(jié)合較為緊密,整體發(fā)展較為全面。


2.國內(nèi)石墨烯發(fā)展現(xiàn)狀。從專利數(shù)量上來看,我國國內(nèi)石墨烯領(lǐng)域?qū)@暾埩恐匾性陂L三角地區(qū),其中江蘇的申請量居于首位(4102件),廣東(2537件)和北京(2333件)次之,而東北和西部地區(qū)的專利申請量較低。從產(chǎn)業(yè)集聚度來看,國內(nèi)目前的石墨烯公司大多分布在東部沿海一帶,尤其是長三角、珠三角、京津冀魯聚合區(qū)。


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