锂电池负极材料石墨烯的应用现状及前景

来源：存能电气  日期：2019-06-18 15:20  浏览量：次

　　锂电池负极材料石墨烯的应用现状及前景。石墨烯是近年来研究较多的一种新型材料，具有良好的导电性能和倍率性能，在锂电池正极材料和负极材料领域极具应用潜力。那锂电池负极材料石墨烯的应用现状及前景有如何呢？

　　石墨烯在锂电池负极材料中的应用

　　石墨烯作为锂电池负极材料，当采用50mA/g的电流密度充放电时，该石墨烯电极材料的比容量为540mAh/g；再经20次循环后，容量发生一定程度的衰减。石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，无论是轻薄、硬度、导热、导电，都是所有材料之最，被认为是一种未来革命性的材料。

　　研究发现，这可能与材料中石墨烯片层的排列方式未得到优化有关。以石墨烯纸作为锂离子电池负极材料时，循环性能就不太理想，首次循环之后，比容量就下降到100mAh/g以下(充放电电流密度50mA/g)。文献等采用热膨胀氧化石墨法制备的石墨烯，将其应用于锂离子电池负极材料中。当采用1mA/g的电流密度充放电时，其比容量可达554mAh/g。

　　更为惊喜的是，发现如果在其中掺入C60和碳纳米管后，其比容量可高达784mAh/g。研究证明，石墨烯材料虽具有非常高的锂离子扩散速率，作为锂电池负极材料时，首次可逆比容量较高，但经过几次循环后，容量衰减严重，并且充放电曲线滞后严重，因此很难单独作为电极材料使用。而石墨烯独特的柔性结构若与高容量金属或氧化物粒子复合用作负极材料则具有得天独厚的优势。

　　锂电池负极材料石墨烯的应用现状及前景

　　近年来由于新能源汽车的快速发展，对动力锂电池需求飞速提升，全球动力电池在锂电池产量中的占比由2014年的14%快速提升到2015年的28%；而中国动力电池在锂电池产量中的占比也由2014年的19%快速提升到2015年的36%。

　　锂离子电池产业可以分为上游的矿产资源、中游的原材料、产品制造与组装、下游的应用三大范畴。在产业链的环节中，锂电池隔膜制造环节的毛利率是最高的。负极材料技术是最成熟的，其中石墨系负极材料仍是主流。

　　仍技术角度来看，未来锂离子电池负极材料将会呈现出多样性的特点。随着技术的迚步，目前的锂离子电池负极材料已经仍单一的人造石墨发展到了天然石墨、中间相碳微球、人造石墨为主，软碳/硬碳、无定形碳、钛酸锂、硅碳合金等多种负极材料共存的局面。

　　天然石墨负极材料技术有了较大的迚步，其可逆容量已达360mAh/g以上，在消费型锂离子电池中获得了广泛的应用。预计在未来的小型电池中，高容量电池仍将以天然石墨为主。人造石墨负极材料当前的应用非常广泛，其优点是长寽命，较低的极片反弹，而缺点是容量相对较低。目前在人造石墨的技术改迚使得人造石墨也可以发挥350mAh/g的可逆容量。将人造石墨与天然石墨复合作为锂离子电池负极材料也已被许多电池厂家所认可。软/硬碳、无定形碳、钛酸锂、金属合金、硅碳合金等新型负极材料目前已经处于试用阶段，可能在未来几年里会逐步产业化。新型的负极材料虽然有其特殊的优势，但技术仍然不成熟。

　　现阶段，石墨材料是负极材料的主流，未来石墨烯、钛酸锂、硅碳复合材料未来其良好发展前景。从2015年全球锂电池负极材料消费结极来看，天然石墨、人造石墨、中间相炭碳微球及钛酸锂、软碳与硬碳、非碳材料占比分别为55.0%、35.0%、7.4%、1.7%、0.8%，中国锂电池负极材料消费结极来看，天然石墨、人造石墨、中间相碳微球和钛酸锂占比分别为36%、53%、11%。

　　我国3C消费品领域中，手机与微型计算机占据了绝大部分市场，因此在此我们主要讨论近年来手机与微型计算机的市场情冴。在经历了2009~2010年智能手机的爆发式增长后，国内手机产量基本保持在10%以上的年均增速平稳增长；且由于2009年智能手机带动平板电脑等便携设备的发展，微型计算机产量也在经历2010年前后的爆发后回落。不过总体来说3C电子市场近几年保持了相对平稳的增长，可以预期未来继续保持低增速的发展态势。

　　石墨烯独特的物质结构和优异的电化学性能，使其在锂离子电池领域具有良好的应用前景，但是目前石墨烯仍然存在制备和应用等方面的技术困难，使其在锂电池领域的实际应用还有较大的距离。因此解决石墨烯自身及其在锂电池应用方面存在的技术问题将会是石墨烯与锂电池行业破局之路的先决条件。